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2022开源操作系统训练营第二阶段总结-陈林峰

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​ 在第二阶段的活动中,我选择的是rCore的进一步扩展,因为时间与rCore移植比赛的重合性,我选择了在完善移植工作并结束比赛后才进一步做扩展相关的工作,因此可能对于扩展部分的改进不是很多。

rCoreloongArch

项目介绍

  • 操作系统比赛功能赛道题目之一

  • 目标平台: loongArch64

  • 项目内容: 移植教学操作系统到目标平台上

  • 发起者: 龙芯中科公司

项目难点

  • loongArch平台在2021年推出

  • 缺乏相关资料

  • Rust对其支持还不够完善

​ loongArch是第一个国产自主指令集架构,有龙芯中科公司在2021年推出,其属于RISC指令集,因此在指令结构和功能上与MIPS、RISC-V等类似,但其也具有一些特殊的地方。在移植一个操作系统到一个新的平台上时,需要综合考虑是否具有完整的工具链,是否有详细的架构说明,是否有模拟的平台或者真实的硬件平台,对于loongArch来说,尽管不是所有的条件都非常完备,但工具齐全,因此移植工作是可行的。

​ 对于移植工作,整体的过程与rCore中每一章节相同,其终极目标就是使得rCore的每一章代码都可以在loongArch平台上成功运行。其主要的节点如下

  • 编译环境配置
    • loongArch64的Rust交叉编译工具链
    • loongArch64的gcc交叉编译工具
  • 裸机启动
    • 熟悉loongArch平台的启动流程 RISC-V: RustSBI – loongArch:UEFI
    • 启用UART串口打印字符在终端上
  • 特权级架构(涉及到大量CSR寄存器)
    • 划分用户态与内核态
    • 中断异常处理
    • 应用程序二进制接口ABI
    • 任务切换需要使用的被调用者保存寄存器
  • 地址空间
    • loongArch的存储管理
      • 物理地址空间与虚拟地址空间
      • 地址翻译模式
        • 直接地址翻译(未启用页表之前使用,VA=PA)
        • 直接映射地址翻译(内核代码所处的区间使用,VA=PA,但用户程序无法访问)
        • 页表映射地址翻译(用户程序使用)
    • 三级页表实现
      • loongArch软件填页表,RISC-V硬件填页表
      • 修改rCore中地址空间的实现
      • 完成关于页表异常的处理(主要是重填异常/页修改异常)
  • 进程/线程
    • 由于地址空间的差异性导致的内核栈与用户栈的差异
    • 跳板页的移除和特权级切换的简化
  • 外部设备
    • PCI总线设备探测
    • SATA设备读写硬盘
    • 键盘与鼠标中断/loongArch外中断系统
  • 其它
    • 内核栈回溯工具(loongArch+risc-v版本)
    • VBE简单图形显示(目前把rcore中第九章的gui也加入了)
    • 指导手册

关于loongArch的未来工作

​ 虽然目前rcore的九章代码几乎可以在loongArch上运行,但关于loongArch的外中断系统仍然需要改进,由于缺乏资料支撑,这方面可能会存在错误,这是改进之一,对于Rust来说,loongArch相关的库仍然几乎没有,如果想要开发者使用rust在loongArch上开发,可能需要进一步提供更多支持。因此在后续对loongArch的工作可能会包含下列事项:

  • [ ] 将loongArch手册转换为rust库,包括指令集手册、3A5000手册、7A1000桥片手册(正在进行)
  • [ ] 外中断系统的完整使用规范

rCore中的一点学习和改进

​ 在完成上述所说的rCore龙芯平台移植后,就进入到了rCore的进一步扩展中,由于时间仓促,完成的工作不是很多。主要完成的工作如下:

  • 内核支持读取设备树
    • 将设备信息保存下来
    • 自主选择设备的初始化
  • 外部设备
    • 添加了RTC实时时钟支持
  • GUI
    • 丰富组件,更正错误
    • 图标正确显示
    • 添加任务栏
    • 以window建立窗口
    • 新的Terminal
    • 贪吃蛇小游戏

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总结

​ 参加此次训练营,一方面可以帮助我完成rCore的移植工作,一方面也可以学习其他人非常不错的想法,虽然没有在GUI的工作上做到更好,但好歹完成了移植工作。在接触了这么多有关操作系统相关的东西后,也更加坚定了以后走操作系统这条路的决心。