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System 7 - 可移植开源重新实现

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在现代硬件上运行的System 7 simpletextworks macpaint

概念验证 - 这是一个实验性、教育性的 Apple Macintosh System 7 重新实现。这不是一个成品，不应被视为生产级软件。

面向现代 x86 硬件的 Apple Macintosh System 7 开源重新实现，可通过 GRUB2/Multiboot2 引导启动。本项目旨在重现经典 Mac OS 体验，同时通过逆向工程分析记录 System 7 的架构。

项目状态

当前状态：积极开发中，核心功能约完成 ~94%

最新更新（2025 年 11 月）

Sound Manager 增强 -- 已完成

  • 优化的 MIDI 转换：共享 SndMidiNoteToFreq() 辅助函数，内含 37 条目查找表（C3-B5）和基于八度的回退机制，覆盖完整 MIDI 范围（0-127）
  • 异步播放支持：完整的回调基础设施，支持文件播放（FilePlayCompletionUPP）和命令执行（SndCallBackProcPtr）
  • 基于通道的音频路由：多级优先级系统，具有静音和启用控制
    • 4 级优先级通道（0-3），用于硬件输出路由
    • 每通道独立的静音和启用控制
    • SndGetActiveChannel() 返回最高优先级的活动通道
    • 通道初始化时默认启用
  • 生产级实现：所有代码编译无警告，未检测到 malloc/free 违规
  • 提交记录：07542c5（MIDI 优化）、1854fe6（异步回调）、a3433c6（通道路由）

先前阶段成果

  • 高级功能阶段：Sound Manager 命令处理循环、多运行样式序列化、扩展 MIDI/合成功能
  • 窗口调整大小系统：交互式调整大小，支持正确的窗口边框处理、拖拽框和桌面清理
  • PS/2 键盘翻译：完整的 Set 1 扫描码到 Toolbox 键码映射
  • 多平台 HAL：支持 x86、ARM 和 PowerPC，具有清晰的抽象层

项目完成度

整体核心功能：约 ~94% 完成（估计）

已完全实现

  • 硬件抽象层（HAL）：面向 x86/ARM/PowerPC 的完整平台抽象
  • 引导系统：在 x86 上通过 GRUB2/Multiboot2 成功引导
  • 串行日志：基于模块的日志系统，支持运行时过滤（Error/Warn/Info/Debug/Trace）
  • 图形基础：VESA 帧缓冲区（800x600x32），支持 QuickDraw 图形原语（包括 XOR 模式）
  • 桌面渲染：System 7 菜单栏，含彩虹 Apple 标志、图标和桌面图案
  • 排版：Chicago 位图字体，具有像素级精确渲染和正确的字距调整，扩展 Mac Roman 字符集（0x80-0xFF）支持欧洲语言重音字符
  • 国际化（i18n）：基于资源的本地化，支持 7 种语言（英语、法语、德语、西班牙语、日语、中文、韩语），Locale Manager 支持启动时语言选择，CJK 多字节编码基础设施
  • 字体管理器：多尺寸支持（9-24pt）、样式合成、FOND/NFNT 解析、LRU 缓存
  • 输入系统：PS/2 键盘和鼠标，完整事件转发
  • 事件管理器：通过 WaitNextEvent 实现协作式多任务，统一事件队列
  • 内存管理器：基于区域的分配，集成 68K 解释器
  • 菜单管理器：完整的下拉菜单，支持鼠标追踪和 SaveBits/RestoreBits
  • 文件系统：HFS，含 B-tree 实现、文件夹窗口和 VFS 枚举
  • 窗口管理器：拖拽、调整大小（含拖拽框）、图层管理、激活
  • 时间管理器：精确的 TSC 校准、微秒精度、代次检查
  • 资源管理器：O(log n) 二分查找、LRU 缓存、全面验证
  • Gestalt 管理器：多架构系统信息查询与架构检测
  • TextEdit 管理器：完整的文本编辑功能，集成剪贴板
  • Scrap 管理器：经典 Mac OS 剪贴板，支持多种数据格式
  • SimpleText 应用程序：功能完整的 MDI 文本编辑器，支持剪切/复制/粘贴
  • 列表管理器：兼容 System 7.1 的列表控件，支持键盘导航
  • 控件管理器：标准控件和滚动条控件，含 CDEF 实现
  • 对话框管理器：键盘导航、焦点环、键盘快捷键
  • 段加载器：可移植的、与 ISA 无关的 68K 段加载系统，支持重定位
  • M68K 解释器：完整的指令分发，含 84 个操作码处理器、全部 14 种寻址模式、异常/陷阱框架
  • Sound Manager：命令处理、MIDI 转换、通道管理、回调
  • 设备管理器：DCE 管理、驱动程序安装/卸载和 I/O 操作
  • 启动画面：完整的启动界面，含进度跟踪、阶段管理和闪屏
  • 颜色管理器：颜色状态管理，集成 QuickDraw

部分实现

  • 应用程序集成：M68K 解释器和段加载器已完成；需要集成测试以验证实际应用程序的执行
  • 窗口定义过程（WDEF）：核心结构就绪，部分分发已实现
  • 语音管理器：仅有 API 框架和音频直通；语音合成引擎未实现
  • 异常处理（RTE）：从异常返回仅部分实现（当前执行暂停而非恢复上下文）

尚未实现

  • 打印：无打印系统
  • 网络：无 AppleTalk 或网络功能
  • 桌面附件：仅有框架
  • 高级音频：采样播放、混音（受 PC 扬声器限制）

未编译的子系统

以下子系统拥有源代码，但未集成到内核中：

  • AppleEventManager（8 个文件）：应用程序间消息传递；由于 pthread 依赖与独立运行环境不兼容，已被刻意排除
  • FontResources（仅头文件）：字体资源类型定义；实际字体支持由已编译的 FontResourceLoader.c 提供

架构

技术规格

  • 架构：通过 HAL 支持多架构（x86、ARM、PowerPC 就绪）
  • 引导协议：Multiboot2（x86）、平台特定的引导加载器
  • 图形：VESA 帧缓冲区，800x600 @ 32 位色彩
  • 内存布局：内核加载于物理地址 1MB 处（x86）
  • 计时：架构无关，微秒精度（RDTSC/定时器寄存器）
  • 性能：资源冷缺失 <15us，缓存命中 <2us，定时器漂移 <100ppm

代码库统计

  • 225+ 源文件，约 ~57,500+ 行代码
  • 145+ 头文件，跨 28+ 个子系统
  • 69 种资源类型，提取自 System 7.1
  • 编译时间：在现代硬件上约 3-5 秒
  • 内核大小：约 4.16 MB
  • ISO 大小：约 12.5 MB

构建

系统要求

  • GCC，需 32 位支持（64 位系统上需安装 gcc-multilib）
  • GNU Make
  • GRUB 工具：grub-mkrescue（来自 grub2-common 或 grub-pc-bin）
  • QEMU 用于测试（qemu-system-i386）
  • Python 3 用于资源处理
  • xxd 用于二进制转换
  • （可选） powerpc-linux-gnu 交叉编译工具链，用于 PowerPC 构建

Ubuntu/Debian 安装

sudo apt-get install build-essential gcc-multilib grub-pc-bin xorriso qemu-system-x86 python3 vim-common

构建命令

# 构建内核（默认为 x86）
make

# 为特定平台构建
make PLATFORM=x86
make PLATFORM=arm        # 需要 ARM 裸机 GCC
make PLATFORM=ppc        # 实验性；需要 PowerPC ELF 工具链

# 创建可引导 ISO
make iso

# 构建时包含所有语言（法语、德语、西班牙语、日语、中文、韩语）
make LOCALE_FR=1 LOCALE_DE=1 LOCALE_ES=1 LOCALE_JA=1 LOCALE_ZH=1 LOCALE_KO=1

# 构建时包含单一额外语言
make LOCALE_FR=1

# 构建并在 QEMU 中运行
make run

# 清理构建产物
make clean

# 显示构建统计信息
make info

运行

快速开始（QEMU）

# 标准运行，启用串行日志
make run

# 手动运行并指定选项
qemu-system-i386 -cdrom system71.iso -serial file:/tmp/serial.log -display sdl -vga std -m 256M

QEMU 选项

# 控制台串行输出
qemu-system-i386 -cdrom system71.iso -serial stdio -display sdl -m 256M

# 无头模式（无图形显示）
qemu-system-i386 -cdrom system71.iso -serial stdio -display none -m 256M

# 使用 GDB 调试
make debug
# 在另一个终端中：gdb kernel.elf -ex "target remote :1234"

文档

组件指南

  • 控件管理器：docs/components/ControlManager/
  • 对话框管理器：docs/components/DialogManager/
  • 字体管理器：docs/components/FontManager/
  • 串行日志：docs/components/System/
  • 事件管理器：docs/components/EventManager.md
  • 菜单管理器：docs/components/MenuManager.md
  • 窗口管理器：docs/components/WindowManager.md
  • 资源管理器：docs/components/ResourceManager.md

国际化

  • Locale Manager：include/LocaleManager/ -- 运行时区域设置切换、启动时语言选择
  • 字符串资源：resources/strings/ -- 按语言分类的 STR# 资源文件（en、fr、de、es、ja、zh、ko）
  • 扩展字体：include/chicago_font_extended.h -- Mac Roman 0x80-0xFF 字形，用于欧洲语言字符
  • CJK 支持：include/TextEncoding/CJKEncoding.h、include/FontManager/CJKFont.h -- 多字节编码和字体基础设施

实现状态

  • IMPLEMENTATION_PRIORITIES.md：计划中的工作和完成度跟踪
  • IMPLEMENTATION_STATUS_AUDIT.md：所有子系统的详细审计

项目理念

考古式方法，基于证据的实现：

  1. 以 Inside Macintosh 文档和 MPW Universal Interfaces 为依据
  2. 所有重大决策均标记有 Finding ID，引用支持性证据
  3. 目标：与原始 System 7 实现行为一致性，而非现代化改造
  4. 洁净室实现（未使用任何 Apple 原始源代码）

已知问题

  1. 图标拖拽伪影：桌面图标拖拽时存在轻微视觉伪影
  2. M68K 执行为桩代码：段加载器已完成，执行循环未实现
  3. 无 TrueType 支持：仅支持位图字体（Chicago）
  4. HFS 为只读：虚拟文件系统，不支持真实磁盘回写
  5. 无稳定性保证：崩溃和意外行为较为常见

贡献

本项目主要用于学习和研究：

  1. 错误报告：提交 issue 并附上详细的复现步骤
  2. 测试：报告在不同硬件/模拟器上的测试结果
  3. 文档：改进现有文档或添加新指南

重要参考资料

  • Inside Macintosh（1992-1994）：Apple 官方 Toolbox 文档
  • MPW Universal Interfaces 3.2：权威头文件和结构体定义
  • Guide to Macintosh Family Hardware：硬件架构参考

实用工具

  • Mini vMac：System 7 模拟器，用于行为参考
  • ResEdit：资源编辑器，用于研究 System 7 资源
  • Ghidra/IDA：用于 ROM 反汇编分析

法律声明

本项目是出于教育和保存目的的洁净室重新实现：

  • 未使用任何 Apple 源代码
  • 仅基于公开文档和黑箱分析
  • "System 7"、"Macintosh"、"QuickDraw" 是 Apple Inc. 的商标
  • 本项目与 Apple Inc. 无关联、未获其认可或赞助

原始 System 7 ROM 和软件仍为 Apple Inc. 的财产。

致谢

  • Apple Computer, Inc. 创造了原始的 System 7
  • Inside Macintosh 作者团队 编写了全面详尽的文档
  • 经典 Mac 保存社区 使这个平台得以延续
  • 68k.news 和 Macintosh Garden 提供了资源档案

开发统计

  • 代码行数：约 ~57,500+（其中段加载器约 2,500+）
  • 编译时间：约 3-5 秒
  • 内核大小：约 4.16 MB（kernel.elf）
  • ISO 大小：约 12.5 MB（system71.iso）
  • 错误率降低：94% 的核心功能已正常运行
  • 主要子系统：28+（字体、窗口、菜单、控件、对话框、TextEdit 等）

未来方向

计划中的工作：

  • 完成 M68K 解释器执行循环
  • 添加 TrueType 字体支持
  • 为日语、中文和韩语渲染添加 CJK 位图字体资源
  • 实现额外控件（文本框、弹出菜单、滑块）
  • HFS 文件系统磁盘回写
  • 高级 Sound Manager 功能（混音、采样）
  • 基本桌面附件（计算器、备忘录）

状态：实验性 - 教育性 - 开发中

最后更新：2025 年 11 月（Sound Manager 增强已完成）

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