StarryOS 开发指南

StarryOS 是构建在 ArceOS 模块层之上的 Linux 兼容操作系统。本文档面向在 TGOSKits 工作区内进行 StarryOS 相关开发的场景，覆盖开发环境、内核开发规范、Syscall 开发流程、用户态程序开发、rootfs 管理、测试策略、调试技巧和多架构注意事项。

架构分层、syscall 分发和进程模型见 StarryOS 架构。最短命令和快速启动见快速开始。构建系统总览见构建与运行。

1. 开发环境

1.1 工具链

StarryOS 共享 TGOSKits 工作区的统一工具链（nightly-2026-04-27），无需额外配置。详见 ArceOS 开发指南 → 开发环境。

1.2 QEMU

StarryOS 需要更多内存（推荐 ≥ 512M）和可能的网络/块设备：

# 基本验证
cargo xtask starry qemu --arch riscv64

# aarch64
cargo xtask starry qemu --arch aarch64

1.3 交叉编译工具链（用户态程序开发）

开发用户态测试程序时需要交叉编译器：

架构	工具链包	前缀
aarch64	`gcc-aarch64-linux-gnu`	`aarch64-linux-gnu-gcc`
riscv64	`gcc-riscv64-linux-gnu`	`riscv64-linux-gnu-gcc`

安装示例：

sudo apt install gcc-aarch64-linux-gnu gcc-riscv64-linux-gnu

如果使用 musl 静态链接：

# 安装 musl 交叉工具链
sudo apt install musl-tools
# 或使用 musl-cross-make 获取交叉版本

2. 目录结构总览

os/StarryOS/
├── starryos/          # StarryOS 启动包
│   ├── Cargo.toml     # 包级 feature：qemu, smp, rknpu
│   └── src/
│       └── main.rs    # 入口
├── kernel/            # StarryOS 内核（starry-kernel）
│   ├── Cargo.toml     # 内核 feature：memtrack, input, vsock, rknpu
│   └── src/
│       ├── entry.rs       # 初始进程创建，加载 /bin/sh
│       ├── lib.rs         # crate root
│       ├── config/        # 内核配置
│       ├── file/          # 文件描述符表、文件操作
│       ├── mm/            # 内存管理、用户地址空间、ELF 加载
│       ├── pseudofs/      # 伪文件系统（devfs, procfs 等）
│       ├── syscall/       # Syscall 完整实现
│       │   ├── mod.rs         # Syscall 分发
│       │   ├── fs/            # 文件系统相关 syscall
│       │   ├── task/          # 进程/线程相关 syscall
│       │   ├── mm/            # 内存管理相关 syscall
│       │   ├── net/           # 网络 socket syscall
│       │   ├── signal/        # 信号相关 syscall
│       │   ├── sync/          # futex、mutex、信号量
│       │   ├── ipc/           # pipe、shm、消息队列
│       │   ├── io_mpx/        # epoll、poll、select
│       │   ├── time/          # 时间相关 syscall
│       │   ├── resources/     # rlimit、prctl、getcpu
│       │   └── sys/           # uname、sysinfo、getpid 等
│       ├── task/          # 线程/进程数据、futex、信号、凭证
│       ├── time.rs        # 时间管理
│       └── trap.rs        # Trap/异常处理
└── Makefile            # 构建 rootfs 和运行

StarryOS 专用组件（位于 components/）：

组件	版本	职责
`starry-process`	v0.4.5	进程生命周期、父子关系、进程组、会话
`starry-signal`	v0.6.0	信号投递、信号处理、架构相关信号帧
`starry-vm`	v0.5.6	用户地址空间管理、虚拟内存抽象

3. Feature 配置

3.1 启动包 Feature（`starryos/Cargo.toml`）

Feature	说明
`qemu`	启用默认平台、PCI 总线、显示、输入、vsock、网络
`smp`	多核支持
`rknpu`	Rockchip NPU 驱动支持

3.2 内核 Feature（`kernel/Cargo.toml`）

Feature	说明
`dev-log`	开发日志
`input`	输入设备支持
`memtrack`	内存追踪（gimli-based）
`rknpu`	Rockchip NPU 驱动
`vsock`	VSOCK 支持

内核默认启用：fp-simd, irq, uspace, page-alloc-4g, alloc-slab, multitask, task-ext, sched-rr, rtc, fs-ng-ext4, net-ng。

3.3 KCOV 暂不引入

StarryOS 目前不暴露 kcov feature，也不注册 /dev/kcov。此前尝试引入 Linux KCOV 兼容接口时，需要同时改动编译插桩参数、ax-hal 架构 trampoline、文件描述符状态、设备 mmap、任务生命周期和测试矩阵，侵入面过大。

另一个阻塞点是多核语义：KCOV 的 per-fd / per-task 状态需要和调度、抢占、线程退出、fork 以及中断上下文保持一致，当前实现还不能稳定覆盖 SMP 场景。因此在形成更小的边界和可靠的多核方案前，暂不把 KCOV 纳入 StarryOS。

4. Syscall 开发

4.1 Syscall 分发机制

Syscall 入口在 kernel/src/syscall/mod.rs 的 handle_syscall() 函数：

pub fn handle_syscall(uctx: &mut UserContext) {
    let Some(sysno) = Sysno::new(uctx.sysno()) else { ... };
    let result = match sysno {
        Sysno::ioctl => sys_ioctl(uctx.arg0(), uctx.arg1(), uctx.arg2()),
        Sysno::chdir => sys_chdir(uctx.arg0()),
        // ... 数百个 syscall
    };
}

Sysno 枚举来自 syscalls crate，覆盖 Linux 标准系统调用号。

4.2 添加新 Syscall 完整流程

以添加 sys_mycall 为例：

步骤 1：在分发函数中添加 match arm

编辑 kernel/src/syscall/mod.rs：

Sysno::mycall => sys_mycall(uctx.arg0(), uctx.arg1()),

如果 Sysno 枚举中尚无此 syscall 号，需更新 syscalls crate 或手动定义。

步骤 2：选择合适的子模块实现

根据 syscall 功能类别放入对应子模块：

类别	文件位置	典型 syscall
文件操作	`syscall/fs/`	`open`, `read`, `write`, `ioctl`, `stat`
进程/线程	`syscall/task/`	`clone`, `execve`, `exit`, `wait4`
内存管理	`syscall/mm/`	`mmap`, `mprotect`, `munmap`, `brk`
网络	`syscall/net/`	`socket`, `bind`, `listen`, `accept`
信号	`syscall/signal/`	`sigaction`, `sigprocmask`, `kill`
同步	`syscall/sync/`	`futex`, `mutex`
IPC	`syscall/ipc/`	`pipe`, `shmget`, `msgsnd`
I/O 多路复用	`syscall/io_mpx/`	`epoll_create`, `poll`, `select`
时间	`syscall/time/`	`clock_gettime`, `nanosleep`
资源/系统	`syscall/resources/`	`getrlimit`, `prctl`, `getcpu`
系统信息	`syscall/sys/`	`uname`, `sysinfo`, `getpid`

步骤 3：实现 syscall 函数

// 例：在 syscall/fs/mycall.rs 中
pub fn sys_mycall(arg0: usize, arg1: usize) -> isize {
    // 参数解析和安全性检查
    // 实现逻辑
    // 返回值：0 表示成功，负数表示错误（-errno）
    0
}

步骤 4：准备用户态测试程序

编写最小 C 程序触发新 syscall：

// test_mycall.c
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/syscall.h>

long mycall(int arg0, int arg1) {
    return syscall(SYS_mycall, arg0, arg1);
}

int main() {
    long ret = mycall(1, 2);
    printf("mycall returned: %ld\n", ret);
    return 0;
}

交叉编译并放入 rootfs：

# aarch64
aarch64-linux-gnu-gcc -static -o test_mycall test_mycall.c

# riscv64
riscv64-linux-gnu-gcc -static -o test_mycall test_mycall.c

步骤 5：启动验证

cargo xtask starry rootfs --arch riscv64
cargo xtask starry qemu --arch riscv64

在 StarryOS shell 中运行测试程序。

步骤 6：添加到 test-suit

将测试程序加入 test-suit/starryos/normal/ 对应目录，编写配置文件。

4.3 Syscall 实现注意事项

参数安全性：所有来自用户空间的指针必须验证可访问性，使用 UserPtr 或手动 copy_from_user / copy_to_user
错误返回：使用负数返回 -errno，而非设置 errno 全局变量
锁使用：内核代码运行在 IRQ 上下文时注意锁的使用，参考 kspin 组件
与 Linux 对齐：参考 Linux 内核对应 syscall 的行为和边界条件，注意 man 2 <syscall> 中的错误情况

5. 进程与信号开发

5.1 进程管理（`starry-process`）

进程相关的核心数据结构：

Process：进程结构体，管理地址空间、文件描述符表、子进程列表
ProcessGroup：进程组，支持信号组播
Session：会话，管理控制终端

开发流程：

在 components/starry-process/src/ 中修改进程数据结构或逻辑
在 kernel/src/task/ 中调整与内核的集成
通过 clone / execve / exit 等 syscall 路径验证

5.2 信号机制（`starry-signal`）

信号投递链路：

用户调用 kill() / sigaction()
  → syscall 分发
    → starry-signal: 设置 pending 或修改 disposition
      → 返回用户空间前检查 pending
        → 构造信号帧（架构相关）
          → 跳转到用户信号处理函数

信号处理涉及架构相关代码（信号帧布局），位于 starry-signal/src/arch/。

5.3 地址空间管理（`starry-vm`）

starry-vm 提供两种模式：

alloc feature（默认）：完整的用户地址空间管理
no-alloc（thin 模式）：轻量级封装

开发时关注：

mmap / munmap 系统调用如何通过 starry-vm 操作地址空间
ELF 加载器如何使用 starry-vm 映射程序段
写时复制（COW）在 fork 中的实现

6. rootfs 管理

6.1 rootfs 概述

StarryOS 使用预构建的 rootfs 镜像（如 rootfs-aarch64-alpine.img），基于 Alpine Linux，包含基本的用户态工具（busybox、shell 等）。

6.2 下载和准备 rootfs

# 通过 xtask 下载 rootfs
cargo xtask starry rootfs --arch riscv64
cargo xtask starry rootfs --arch aarch64

镜像放置位置：target/rootfs/。

6.3 查看和修改 rootfs 内容

# 创建挂载点
mkdir -p /mnt/rootfs

# 挂载 rootfs 镜像
sudo mount -o loop target/rootfs/rootfs-riscv64-alpine.img /mnt/rootfs

# 查看内容
ls /mnt/rootfs
ls /mnt/rootfs/bin
ls /mnt/rootfs/usr

# 添加自定义程序
sudo cp test_mycall /mnt/rootfs/root/

# 卸载
sudo umount /mnt/rootfs

6.4 构建自定义 rootfs

如需更完整的 rootfs（包含额外工具或库），可以基于 Alpine 构建自定义镜像：

# 安装 alpine-make-rootfs
# 使用 debootstrap 或手动构建
# 核心思路：创建最小文件系统 → 安装必要包 → 打包为 ext4 镜像

6.5 xtask 与 Makefile 的 rootfs 差异

入口	rootfs 位置	说明
`cargo xtask starry rootfs`	`target/rootfs/`	根目录统一入口
`os/StarryOS/Makefile`	`os/StarryOS/make/disk.img`	本地 Makefile 入口

重要：两者不互通。一边下载过的 rootfs，另一边不会自动复用。建议统一使用 xtask 入口。

7. 用户态程序开发

7.1 静态链接 C 程序

推荐使用静态链接，避免依赖 rootfs 中的动态库版本：

# aarch64
aarch64-linux-gnu-gcc -static -o mytest mytest.c

# riscv64
riscv64-linux-gnu-gcc -static -o mytest mytest.c

7.2 使用 musl 静态链接

# 使用 musl-gcc
musl-gcc -static -o mytest mytest.c

# 交叉编译需要 musl-cross 工具链
aarch64-linux-musl-gcc -static -o mytest mytest.c

7.3 放入 rootfs

# 挂载 rootfs
sudo mount -o loop target/rootfs/rootfs-riscv64-alpine.img /mnt/rootfs

# 复制程序
sudo cp mytest /mnt/rootfs/root/

# 确保可执行
sudo chmod +x /mnt/rootfs/root/mytest

# 卸载
sudo umount /mnt/rootfs

7.4 Python 脚本测试

rootfs 中包含 Python 环境，可直接运行 Python 测试脚本：

# 在 StarryOS shell 中
python3 /root/test.py

8. 测试

8.1 测试套件结构

test-suit/starryos/ 分为两组：

normal/ — 标准测试：

目录	内容
`qemu-smp1/`	单核 QEMU 测试（smoke, busybox, python-hello, syscall, bugfix, usb 等）
`qemu-smp4/`	多核 QEMU 测试（affinity, test-shm-deadlock）
`qemu-dhcp/`	DHCP 网络测试
`board-orangepi-5-plus/`	OrangePi-5-Plus 物理板测试（net-smoke, npu-yolov8, pcie-enumerate）

stress/ — 压力测试：

目录	内容
`postgresql/`	PostgreSQL 工作负载
`stress-ng-0/`	stress-ng 测试

8.2 测试配置格式

StarryOS 测试配置与 ArceOS 类似，但增加了 shell 交互：

# build config
env = {AX_IP = "10.0.2.15", AX_GW = "10.0.2.2"}
features = ["qemu"]
log = "Warn"
plat_dyn = false
target = "aarch64-unknown-none-softfloat"

# qemu runtime config
args = ["-nographic", "-m", "512M", "-cpu", "cortex-a53", ...]
shell_prefix = "root@starry:"
shell_init_cmd = "pwd && echo 'All tests passed!'"
success_regex = ["(?m)^All tests passed!\\s*$"]
fail_regex = ['(?i)\bpanic(?:ked)?\b']
timeout = 5

与 ArceOS 测试的关键差异：StarryOS 使用 shell_prefix + shell_init_cmd 与已启动的 Linux shell 交互，而非仅匹配输出。

关键字段：

字段	说明
`shell_prefix`	Shell 提示符匹配模式
`shell_init_cmd`	在 shell 中执行的命令
`timeout`	超时时间（秒）
`success_regex`	匹配成功的正则
`fail_regex`	匹配失败的正则

8.3 运行测试

# 通过 xtask 运行 StarryOS QEMU 测试
cargo xtask starry test qemu --target riscv64
cargo xtask starry test qemu --target aarch64-unknown-none-softfloat

8.4 添加新测试用例

在 test-suit/starryos/normal/qemu-smp1/（或对应目录）下创建测试
准备测试程序（C/Python/Shell），放入 rootfs 或通过 shell_init_cmd 直接执行
编写 build-<target>.toml 和 qemu-<arch>.toml
确认 shell_prefix 与实际 shell 提示符匹配
通过 cargo xtask starry test qemu 验证

9. 调试

9.1 日志

# 使用 Makefile
cd os/StarryOS
make ARCH=riscv64 LOG=debug run

内核 feature dev-log 可提供更详细的内核日志。

9.2 GDB

cd os/StarryOS
make ARCH=riscv64 debug

在另一个终端连接 GDB：

riscv64-unknown-elf-gdb <binary>
(gdb) target remote :1234
(gdb) break handle_syscall
(gdb) continue

9.3 Syscall 追踪

StarryOS 目前没有实现 strace 等价工具，但可以通过以下方式观察 syscall 行为：

在 handle_syscall() 中临时添加 info! 日志
启用 LOG=debug 查看内核层面的调用序列
在特定 syscall 实现中添加参数/返回值日志

// 在 syscall/mod.rs 中临时添加
Sysno::mycall => {
    info!("mycall({}, {})", uctx.arg0(), uctx.arg1());
    let ret = sys_mycall(uctx.arg0(), uctx.arg1());
    info!("mycall returned {}", ret);
    ret
}

9.4 排错清单

StarryOS 未按预期启动时，按以下顺序排查：

rootfs 是否存在：ls target/rootfs/
rootfs 路径是否正确：xtask 路径 vs Makefile 路径
改动范围：共享组件？ArceOS 模块？StarrryOS 内核？
架构是否匹配：rootfs 架构与 QEMU 架构一致
内存是否足够：StarryOS 推荐 ≥ 512M

10. 多架构注意事项

10.1 架构差异

方面	aarch64	riscv64
syscall 入口	`svc #0` 指令	`ecall` 指令
信号帧布局	aarch64 专用	riscv64 专用
页表格式	4 级或 3 级页表	Sv39 / Sv48
中断控制器	GIC	PLIC
默认 QEMU CPU	cortex-a53	默认

10.2 验证矩阵

建议在两个架构上都验证 StarryOS 改动：

# riscv64
cargo xtask starry rootfs --arch riscv64
cargo xtask starry qemu --arch riscv64

# aarch64
cargo xtask starry rootfs --arch aarch64
cargo xtask starry qemu --arch aarch64

11. 与 ArceOS 的关系

StarryOS 复用了大量 ArceOS 模块，改动共享模块时的验证策略：

改动位置	先验证	再验证
`components/axerrno`、`kspin` 等基础 crate	`cargo test -p <crate>`	ArceOS helloworld + StarryOS qemu
`os/arceos/modules/axhal`	ArceOS helloworld	StarryOS qemu
`os/arceos/modules/axtask`	ArceOS helloworld	StarryOS qemu
`components/starry-process` 等 Starrry 专用	StarryOS qemu	—
`os/StarryOS/kernel/*`	StarryOS qemu	—

12. 推荐阅读

StarryOS 架构: 叠层架构、syscall 分发、进程与地址空间机制
组件开发指南: 共享依赖如何落到 StarryOS
构建与运行: rootfs 位置、xtask 和 Makefile 边界
ArceOS 开发指南: 当改动落在 ArceOS 共享模块层时

1. 开发环境​

1.1 工具链​

1.2 QEMU​

1.3 交叉编译工具链（用户态程序开发）​

2. 目录结构总览​

3. Feature 配置​

3.1 启动包 Feature（starryos/Cargo.toml）​

3.2 内核 Feature（kernel/Cargo.toml）​

3.3 KCOV 暂不引入​

4. Syscall 开发​

4.1 Syscall 分发机制​

4.2 添加新 Syscall 完整流程​

4.3 Syscall 实现注意事项​

5. 进程与信号开发​

5.1 进程管理（starry-process）​

5.2 信号机制（starry-signal）​

5.3 地址空间管理（starry-vm）​

6. rootfs 管理​

6.1 rootfs 概述​

6.2 下载和准备 rootfs​

6.3 查看和修改 rootfs 内容​

6.4 构建自定义 rootfs​

6.5 xtask 与 Makefile 的 rootfs 差异​

7. 用户态程序开发​

7.1 静态链接 C 程序​

7.2 使用 musl 静态链接​

7.3 放入 rootfs​

7.4 Python 脚本测试​

8. 测试​

8.1 测试套件结构​

8.2 测试配置格式​

8.3 运行测试​

8.4 添加新测试用例​

9. 调试​

9.1 日志​

9.2 GDB​

9.3 Syscall 追踪​

9.4 排错清单​

10. 多架构注意事项​

10.1 架构差异​

10.2 验证矩阵​

11. 与 ArceOS 的关系​

12. 推荐阅读​