2023开源操作系统训练营第三阶段总结报告-郝淼

第一周练习总结

第一周的 5 个练习的主要目的是了解 ArceOS 的基本代码组织结构，为后面的任务打下基础。

练习 1、2

练习 1 要求实现彩色打印 println!，这个任务我采用了修改 axstd::println! 来实现，这是出于架构兼容性的考虑，不应修改太过底层的代码。具体实现是利用了 ANSI 转义序列。

练习 2 要求支持 HashMap 并通过测试。之所以 Rust 核心库中没有 HashMap，是因为 HashMap 需要调用产生随机数的接口，而这个接口是架构相关的。因此，练习 2 的核心是实现 axstd 可调用的 fn random() -> u128 接口。

自底向上实现 random 的过程：

axhal::random::random()：在 axhal 层实现架构相关的 random() 接口，它调用了 axhal::time::current_ticks()
arceos_api::random::ax_random()：定义 ax_random 接口，通过 pub use axhal::random::random as ax_random; 将其直接实现为 axhal::random::random()
在 axstd 中可调用 arceos_api::random::ax_random()

练习 3、4

练习 3 要求实现内存分配器 early。ArceOS 中包含两个内存分配器 palloc 和 balloc，palloc 用于以页单位的内存分配，balloc 被指定为 Rust 的 #[global_allocator]，这样我们就可以使用 Rust 中如 Vec，String 等这些堆上可变长的数据类型。这两个内存分配器都包含在一个全局内存分配器 GLOBAL_ALLOCATOR 中。

early 分配器既是 palloc 又是 balloc，因此这里遇到一个问题：GLOBAL_ALLOCATOR 中使用了一对智能指针分别指向了 palloc 和 balloc 实例，但由于 early 分配器的特点，early 在全局只有一个实例，并且其中的 palloc 和 balloc 还需要共享数据。

因此，我将 GLOBAL_ALLOCATOR 可能的类型分为两种：

SeparateAllocator：分离式内存分配器，palloc 和 balloc 是两个，当 balloc 可用内存不足时，向 palloc 请求内存
AIOAllocator：一体式内存分配器，palloc 和 balloc 是同一个，两个内存分配器中共享剩余可用内存

此外，我定义了 trait GlobalAllocator，与原来的 GlobalAllocator 类中实现的方法保持一致。而后，为 SeparateAllocator 和 AIOAllocator 分别实现 GlobalAllocator，然后在 toml 中增加关于 early 的选项，即可达成练习目标。

练习 4 要求通过 rust_main() 的参数 dtb 解析 dtb。这一练习的关键是找到一个合适的 crate，我使用的是 hermit-dtb = "0.1.1"。

练习 5

练习 5 要求将 FIFO 算法改变为抢占式的。FIFO 算法原本维护了一个队列，靠进程主动放弃 CPU 触发调度。在抢占式中，需要将原本的 List 修改为双端队列 VecDequeue，这样在 remove_task(&mut self, task: &Self::SchedItem) 中，修改为先找到 task 的下标，然后根据下标将其从队列中删除；在 put_prev_task(&mut self, prev: Self::SchedItem, preempt: bool) 如果此时是可以抢占的，就将 prev 放入队尾，否则将其放在队头，相当于调度器选择的还是当前的任务；最后，将 task_tick 的返回值恒置为 true 这样每次时钟中断发生时都能进行调度。

第二周练习总结

第二周在一个个小练习后逐渐实现了一个可以加载二进制文件的 loader，并且加载的应用有独立的地址空间。

练习 1、2

实际上练习1、2的任务是实现一个简易的文件系统。我的设计如下：

struct ImgHeader {
    app_num: usize,
}

struct AppHeader {
    app_size: usize,
}

将 1 个 ImgHeader 放在 pflash 头部，而后紧接着app_num 个 AppHeader 用于指示每个应用的大小。

生成二进制镜像，添加这写头部信息我是用 C 语言实现的，在此不再赘述。

练习 3

批处理的方式下，先加载第一个应用，然后运行；而后加载第二个应用，然后运行。这两个应用均被加载到一个固定的地址。

在 loader 中，使用 jalr 指令通过函数调用执行一个应用，因此，在进入应用程序的主函数时，ra 寄存器已经被加载为返回地址，想要从应用程序返回，只需要将函数签名返回值部分的 -> ! 改为 -> () 或者直接删除即可。这样，应用程序生成的汇编代码最后是一条 ret 指令，恰好能返回到 loader。

练习 4、5

练习 4 将 sys_terminate 封装为对 axstd::process::exit 的调用即可。

练习 5 我将所有的 abi 调用和为一个分发函数：

fn abi_entry(abi_num: usize, arg0: usize) {
    match abi_num {
        SYS_HELLO => abi_hello(),
        SYS_PUTCHAR => abi_putchar(arg0 as u8 as char),
        SYS_TERMINATE => abi_terminate(arg0 as i32),
        _ => panic!("unsupport abi call!"),
    }
}

然后将这个函数的地址作为第一个参数传入应用，即通过 a0 传参：

1	unsafe extern "C" fn _start(abi_entry: usize) -> !

在应用中，封装 putchar 等函数：

fn putchar(c: u8) {
    unsafe {
        core::arch::asm!("
            li      a0, {abi_num}
            la      t0, {abi_entry_addr}
            ld      t0, (t0)
            jalr    t0",
            abi_num = const SYS_PUTCHAR,
            abi_entry_addr = sym ABI_ENTRY,
            in("a1") c,
            clobber_abi("C"),
        )
    }
}

实际上，所有 abi 函数都是跳转到 abi_entry 执行，不同之处在与参数的传递，我规定第一个参数 a0 是 abi 号，后面的是 abi 函数的参数。在 putchar 中，a0 被设置为 SYS_PUTCHAR，a1 被设置为 c 的值。注意，在内联汇编的结尾要加上 clobber_abi("C")，保持寄存器在执行这段汇编代码前后的一致，否则将出现混乱。

练习 6

目前，在批处理且每个应用地址空间相同的情况下，练习 6 实现起来比较简单，保持每个应用复用全局的应用页表 APP_PT_SV39 即可。