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Day 5

あくあ Advent Calendar 2025

Day 13

デジタル創作サークルUniProject Advent Calendar 2025

@Aqua-218(Aqua)inデジタル創作サークルUniProject

no_stdの世界、標準ライブラリよさようなら Part2

Last updated at Posted at 2025-12-10

Rustで作るx86_64 自作OS入門シリーズ
Part1【環境構築】 | Part2【no_std】 | Part3【Hello World】| Part4【VGA】 | Part5【割り込み】 | Part6【ページング】 | Part7【ヒープ】 | Part8【マルチタスク】| Part9【ファイルシステム】 | Part10【ELFローダー】 | Part11【シェル】 | Part12【完結】

はじめに

前回（Part1）で環境構築が終わり、Hello Worldまで出せました。

でも正直、Part1のコードは「とりあえず動く」レベル。VGAバッファに毎回unsafeで直接書き込むのは辛い...

今回はno_stdの世界でもprintln!マクロが使えるように、VGAテキストモードをちゃんと抽象化していきます。

目次

  1. no_stdで使えるもの・使えないもの
  2. VGAテキストバッファの構造
  3. Writerを実装する
  4. println!マクロを作る
  5. 動作確認

no_stdで使えるもの・使えないもの

使えないもの（std専用）

  • std::io - ファイルI/O
  • std::net - ネットワーク
  • std::fs - ファイルシステム
  • std::thread - スレッド
  • std::sync::Mutex - 標準のMutex
  • String, Vec, Box - ヒープを使うもの（allocクレートで復活可能）
  • println!, print! - 標準出力

使えるもの（coreクレート）

  • core::fmt - フォーマット
  • core::option::Option
  • core::result::Result
  • core::slice, core::str
  • core::mem, core::ptr
  • プリミティブ型（i32, u8, etc）

stdはcoreの上に構築されているので、coreにあるものは基本的に使えます。

重要：format_args!は使える

println!は使えないけど、format_args!マクロはcoreに含まれています。つまり、出力先さえ自分で用意すればprintln!的なことはできる！

VGAテキストバッファの構造

メモリレイアウト

アドレス 0xb8000 から:
+------+------+------+------+------+------+ ... (80文字分)
| 文字 | 属性 | 文字 | 属性 | 文字 | 属性 |
+------+------+------+------+------+------+
                ↓ 次の行
+------+------+------+------+------+------+ ... 
| 文字 | 属性 | 文字 | 属性 | 文字 | 属性 |
+------+------+------+------+------+------+
                ... (25行分)
  • 画面サイズ: 80列 × 25行
  • 1文字あたり2バイト（文字コード + 属性）
  • 合計: 80 × 25 × 2 = 4000バイト

属性バイト

ビット: 7  6  5  4  3  2  1  0
       |  |-----|  |  |-----|
       |    |      |     |
       |    |      |     +-- 前景色（0-7）
       |    |      +-------- 前景色の明るさ
       |    +--------------- 背景色（0-7）
       +-------------------- 点滅（または背景色の明るさ）

Writerを実装する

色の定義

まず、使える色を列挙型で定義します：

#[allow(dead_code)]
#[derive(Debug, Clone, Copy, PartialEq, Eq)]
#[repr(u8)]
pub enum Color {
    Black = 0,
    Blue = 1,
    Green = 2,
    Cyan = 3,
    Red = 4,
    Magenta = 5,
    Brown = 6,
    LightGray = 7,
    DarkGray = 8,
    LightBlue = 9,
    LightGreen = 10,
    LightCyan = 11,
    LightRed = 12,
    Pink = 13,
    Yellow = 14,
    White = 15,
}

#[repr(u8)]で、各バリアントが正確に指定した値を持つことを保証します。

色属性

#[derive(Debug, Clone, Copy, PartialEq, Eq)]
#[repr(transparent)]
pub struct ColorCode(u8);

impl ColorCode {
    pub const fn new(foreground: Color, background: Color) -> ColorCode {
        ColorCode((background as u8) << 4 | (foreground as u8))
    }
}

#[repr(transparent)]で、ColorCodeが内部のu8と全く同じメモリレイアウトになることを保証。

画面上の1文字

#[derive(Debug, Clone, Copy, PartialEq, Eq)]
#[repr(C)]
struct ScreenChar {
    ascii_character: u8,
    color_code: ColorCode,
}

#[repr(C)]で、フィールドの順序がCと同じになることを保証。これがないとRustがフィールドを並び替える可能性があります。

バッファ全体

const VGA_WIDTH: usize = 80;
const VGA_HEIGHT: usize = 25;

#[repr(transparent)]
struct Buffer {
    chars: [[ScreenChar; VGA_WIDTH]; VGA_HEIGHT],
}

Writerの実装

pub struct Writer {
    column_position: usize,
    row_position: usize,
    color_code: ColorCode,
    buffer: &'static mut Buffer,
}

impl Writer {
    pub fn new() -> Writer {
        Writer {
            column_position: 0,
            row_position: 0,
            color_code: ColorCode::new(Color::White, Color::Black),
            buffer: unsafe { &mut *(0xb8000 as *mut Buffer) },
        }
    }

    pub fn write_byte(&mut self, byte: u8) {
        match byte {
            b'\n' => self.new_line(),
            byte => {
                if self.column_position >= VGA_WIDTH {
                    self.new_line();
                }

                let row = self.row_position;
                let col = self.column_position;

                self.buffer.chars[row][col] = ScreenChar {
                    ascii_character: byte,
                    color_code: self.color_code,
                };
                self.column_position += 1;
            }
        }
    }

    pub fn write_string(&mut self, s: &str) {
        for byte in s.bytes() {
            match byte {
                // 印字可能なASCII文字またはnewline
                0x20..=0x7e | b'\n' => self.write_byte(byte),
                // 印字不可能な文字は■で表示
                _ => self.write_byte(0xfe),
            }
        }
    }

    fn new_line(&mut self) {
        if self.row_position < VGA_HEIGHT - 1 {
            self.row_position += 1;
        } else {
            // スクロール
            for row in 1..VGA_HEIGHT {
                for col in 0..VGA_WIDTH {
                    self.buffer.chars[row - 1][col] = self.buffer.chars[row][col];
                }
            }
            self.clear_row(VGA_HEIGHT - 1);
        }
        self.column_position = 0;
    }

    fn clear_row(&mut self, row: usize) {
        let blank = ScreenChar {
            ascii_character: b' ',
            color_code: self.color_code,
        };
        for col in 0..VGA_WIDTH {
            self.buffer.chars[row][col] = blank;
        }
    }

    pub fn clear_screen(&mut self) {
        for row in 0..VGA_HEIGHT {
            self.clear_row(row);
        }
        self.column_position = 0;
        self.row_position = 0;
    }
}

重要ポイント：スクロール処理

画面の一番下に到達したら、全体を1行上にずらして、最後の行をクリアします。これがないと25行以上出力できません。

fmt::Writeトレイトを実装する

core::fmt::Writeトレイトを実装すると、write!マクロが使えるようになります：

use core::fmt;

impl fmt::Write for Writer {
    fn write_str(&mut self, s: &str) -> fmt::Result {
        self.write_string(s);
        Ok(())
    }
}

これでwrite!(writer, "Hello, {}!", "World")みたいに書けます。

println!マクロを作る

グローバルWriter

マクロからWriterにアクセスするために、グローバルな変数が必要です：

static mut WRITER: Option<Writer> = None;

pub fn init() {
    unsafe {
        WRITER = Some(Writer::new());
        if let Some(ref mut writer) = WRITER {
            writer.clear_screen();
        }
    }
}

#[doc(hidden)]
pub fn _print(args: fmt::Arguments) {
    unsafe {
        if let Some(ref mut writer) = WRITER {
            writer.write_fmt(args).unwrap();
        }
    }
}

注意: この実装はstatic mutを使っているのでスレッドセーフではありません。マルチタスクを実装するときにはspinlockなどで保護する必要があります。

マクロ定義

#[macro_export]
macro_rules! print {
    ($($arg:tt)*) => ($crate::vga::_print(format_args!($($arg)*)));
}

#[macro_export]
macro_rules! println {
    () => ($crate::print!("\n"));
    ($($arg:tt)*) => ($crate::print!("{}\n", format_args!($($arg)*)));
}

#[macro_export]をつけると、クレートの外から使えるようになります。$crateは現在のクレートを指す特別な変数。

動作確認

main.rsを更新

#![no_std]
#![no_main]

mod vga;

use core::panic::PanicInfo;
use bootloader::{entry_point, BootInfo};

entry_point!(kernel_main);

fn kernel_main(_boot_info: &'static BootInfo) -> ! {
    // VGAを初期化
    vga::init();
    
    // println!マクロを使ってみる
    println!("Hello, OS World!");
    println!("Welcome to my-os!");
    println!();
    println!("This is line 4");
    println!("Numbers: {} + {} = {}", 1, 2, 1 + 2);
    
    loop {
        unsafe { core::arch::asm!("hlt"); }
    }
}

#[panic_handler]
fn panic(info: &PanicInfo) -> ! {
    println!("\n!!! KERNEL PANIC !!!");
    println!("{}", info);
    loop {
        unsafe { core::arch::asm!("hlt"); }
    }
}

ビルドと実行

cargo bootimage

WARNING: `CARGO_MANIFEST_DIR` env variable not set
Building kernel
warning: method `set_color` is never used
   --> src\vga.rs:147:12
    |
65  | impl Writer {
    | ----------- method in this implementation
...
147 |     pub fn set_color(&mut self, foreground: Color, background: Color) {
    |            ^^^^^^^^^
    |
    = note: `#[warn(dead_code)]` on by default

warning: `my-os` (bin "my-os") generated 1 warning
    Finished `dev` profile [optimized + debuginfo] target(s) in 0.15s
Building bootloader
   Compiling bootloader v0.9.33
    Finished `release` profile [optimized + debuginfo] target(s) in 1.90s
Created bootimage for `my-os` at `target\x86_64-my_os\debug\bootimage-my-os.bin`

warningは出てるけど、ビルド成功！

qemu-system-x86_64 -drive "format=raw,file=target\x86_64-my_os\debug\bootimage-my-os.bin"

println demo

画面に出た！！

Hello, OS World!
Welcome to my-os!

This is line 4
Numbers: 1 + 2 = 3

println!で数値のフォーマットもできてます。標準ライブラリがないのに！

シリアル出力も確認

qemu-system-x86_64 -drive "format=raw,file=target\x86_64-my_os\debug\bootimage-my-os.bin" -serial file:serial.log

Get-Content serial.log

=== My OS Booting ===
VGA initialized
println! test complete
Entering infinite loop...

シリアル出力も問題なし。

ファイル構成

現在のプロジェクト構成：

my-os/
├── Cargo.toml
├── x86_64-my_os.json
├── .cargo/
│   └── config.toml
└── src/
    ├── main.rs
    └── vga.rs

vga.rs（完全版）

use core::fmt;
use core::fmt::Write;

const VGA_BUFFER_ADDR: usize = 0xb8000;
const VGA_WIDTH: usize = 80;
const VGA_HEIGHT: usize = 25;

#[allow(dead_code)]
#[derive(Debug, Clone, Copy, PartialEq, Eq)]
#[repr(u8)]
pub enum Color {
    Black = 0,
    Blue = 1,
    Green = 2,
    Cyan = 3,
    Red = 4,
    Magenta = 5,
    Brown = 6,
    LightGray = 7,
    DarkGray = 8,
    LightBlue = 9,
    LightGreen = 10,
    LightCyan = 11,
    LightRed = 12,
    Pink = 13,
    Yellow = 14,
    White = 15,
}

#[derive(Debug, Clone, Copy, PartialEq, Eq)]
#[repr(transparent)]
pub struct ColorCode(u8);

impl ColorCode {
    pub const fn new(foreground: Color, background: Color) -> ColorCode {
        ColorCode((background as u8) << 4 | (foreground as u8))
    }
}

#[derive(Debug, Clone, Copy, PartialEq, Eq)]
#[repr(C)]
struct ScreenChar {
    ascii_character: u8,
    color_code: ColorCode,
}

#[repr(transparent)]
struct Buffer {
    chars: [[ScreenChar; VGA_WIDTH]; VGA_HEIGHT],
}

pub struct Writer {
    column_position: usize,
    row_position: usize,
    color_code: ColorCode,
    buffer: &'static mut Buffer,
}

impl Writer {
    pub fn new() -> Writer {
        Writer {
            column_position: 0,
            row_position: 0,
            color_code: ColorCode::new(Color::White, Color::Black),
            buffer: unsafe { &mut *(VGA_BUFFER_ADDR as *mut Buffer) },
        }
    }

    pub fn write_byte(&mut self, byte: u8) {
        match byte {
            b'\n' => self.new_line(),
            byte => {
                if self.column_position >= VGA_WIDTH {
                    self.new_line();
                }
                let row = self.row_position;
                let col = self.column_position;
                self.buffer.chars[row][col] = ScreenChar {
                    ascii_character: byte,
                    color_code: self.color_code,
                };
                self.column_position += 1;
            }
        }
    }

    pub fn write_string(&mut self, s: &str) {
        for byte in s.bytes() {
            match byte {
                0x20..=0x7e | b'\n' => self.write_byte(byte),
                _ => self.write_byte(0xfe),
            }
        }
    }

    fn new_line(&mut self) {
        if self.row_position < VGA_HEIGHT - 1 {
            self.row_position += 1;
        } else {
            for row in 1..VGA_HEIGHT {
                for col in 0..VGA_WIDTH {
                    self.buffer.chars[row - 1][col] = self.buffer.chars[row][col];
                }
            }
            self.clear_row(VGA_HEIGHT - 1);
        }
        self.column_position = 0;
    }

    fn clear_row(&mut self, row: usize) {
        let blank = ScreenChar {
            ascii_character: b' ',
            color_code: self.color_code,
        };
        for col in 0..VGA_WIDTH {
            self.buffer.chars[row][col] = blank;
        }
    }

    pub fn clear_screen(&mut self) {
        for row in 0..VGA_HEIGHT {
            self.clear_row(row);
        }
        self.column_position = 0;
        self.row_position = 0;
    }
}

impl fmt::Write for Writer {
    fn write_str(&mut self, s: &str) -> fmt::Result {
        self.write_string(s);
        Ok(())
    }
}

static mut WRITER: Option<Writer> = None;

pub fn init() {
    unsafe {
        WRITER = Some(Writer::new());
        if let Some(ref mut writer) = WRITER {
            writer.clear_screen();
        }
    }
}

#[doc(hidden)]
pub fn _print(args: fmt::Arguments) {
    unsafe {
        if let Some(ref mut writer) = WRITER {
            writer.write_fmt(args).unwrap();
        }
    }
}

#[macro_export]
macro_rules! print {
    ($($arg:tt)*) => ($crate::vga::_print(format_args!($($arg)*)));
}

#[macro_export]
macro_rules! println {
    () => ($crate::print!("\n"));
    ($($arg:tt)*) => ($crate::print!("{}\n", format_args!($($arg)*)));
}

まとめ

Part2では以下を達成しました：

  • no_stdで使える/使えないものの整理
  • VGAテキストバッファの抽象化
  • Writerの実装（スクロール対応）
  • fmt::Writeトレイトの実装
  • println!マクロの作成

これでunsafeを毎回書かなくても画面出力ができるようになりました！

次回（Part3）では、ベアメタルでのHello World...の続きとして、もっと機能を追加していきます。

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