RISC-V：跟着清华训练营从零打造OS【第一课】

发表于 2023-10-24 更新于 2024-10-12 分类于 RISC-V 本文字数： 3.7k 阅读时长 ≈ 3 分钟

本文主要分享了我在参加清华开源操作系统训练营第一节课时遇到的一些问题，希望对后续同学的学习能够有所帮助，让大家少走弯路，更高效地开展操作系统学习。

前言

今天是 1024 程序员节，祝所有程序员节日快乐！你们用智慧和勤奋创造了世界上最复杂、最神奇、最优秀的软件和系统，让我们享受到了科技的便捷和乐趣。感谢你们一直以来的努力和付出，希望你们继续前行，不断创新，让我们的世界更加美好！

大家是否还记得我之前提到过想要用 Rust 编写操作系统的感言？事实上，最近我一直在忙碌地参加清华开源操作系统训练营的学习。昨天是课程的第一课，我学到了很多新的知识。现在，我想和大家分享一下第一节课的内容。

既然要编写操作系统，首先，需要准备好开发环境。这听起来很基础，但这是非常重要的一步。然后，我们开始了熟悉的 Hello World 示例。这个示例可以帮助我们熟悉操作系统的最基本概念，例如进程管理、内存管理和文件系统等。

总的来说，这节课让我学到了很多有用的知识，并且让我更加坚定了编写操作系统的决心。我会继续努力学习，并和大家分享我的进展。

环境准备

基础环境信息

CPU: Apple M1
宿主机OS：macOS Sonoma 14.0
虚拟机：使用 OrbStack 安装 ubuntu 23.04，选用 OrbStack 理由看这里

Ubuntu 环境准备

准备 Rust 环境

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export RUSTUP_DIST_SERVER=https://mirrors.ustc.edu.cn/rust-static
export RUSTUP_UPDATE_ROOT=https://mirrors.ustc.edu.cn/rust-static/rustup
curl https://sh.rustup.rs -sSf | sh

安装 rustc 的 nightly 版本

1 2	rustup install nightly rustup default nightly

修改 cargo 所用的软件包镜像地址

cat <<EOF > ~/.cargo/config
[source.crates-io]
registry = "https://github.com/rust-lang/crates.io-index"
replace-with = 'ustc'
[source.ustc]
registry = "git://mirrors.ustc.edu.cn/crates.io-index"
EOF

安装 Rust 相关的软件包

rustup target add riscv64gc-unknown-none-elf
cargo install cargo-binutils
rustup component add llvm-tools-preview
rustup component add rust-src

修改 ubuntu 源

1 2	sudo cp /etc/apt/sources.list /etc/apt/sources.list.bak sudo sed -i 's/ports.ubuntu.com/mirrors.ustc.edu.cn/' /etc/apt/sources.list

安装 Qemu 环境

# 安装编译所需的依赖包
sudo apt install autoconf automake autotools-dev curl libmpc-dev libmpfr-dev libgmp-dev \
    gawk build-essential bison flex texinfo gperf libtool patchutils bc \
    zlib1g-dev libexpat-dev pkg-config  libglib2.0-dev libpixman-1-dev libsdl2-dev \
    git tmux python3 python3-pip ninja-build
# 下载源码包
cd $HOME
wget https://download.qemu.org/qemu-7.0.0.tar.xz
# 解压
tar xJf qemu-7.0.0.tar.xz
# 编译安装并配置 RISC-V 支持
cd qemu-7.0.0
./configure --target-list=riscv64-softmmu,riscv64-linux-user  # 如果要支持图形界面，可添加 " --enable-sdl" 参数
make -j$(nproc)

设置 Qemu 环境变量，可将以下命令写入在 .bashrc 文件中

export QEMU_PATH="$HOME/qemu-7.0.0"
export PATH="$QEMU_PATH/build:$PATH"
export PATH="$QEMU_PATH/build/riscv64-softmmu:$PATH"
export PATH="$QEMU_PATH/build/riscv64-linux-user:$PATH"

验证 Qemu 和 Rust 版本，若效果如下所示，即代表环境准备完成

$ qemu-system-riscv64 --version
QEMU emulator version 7.0.0
Copyright (c) 2003-2022 Fabrice Bellard and the QEMU Project developers

$ qemu-riscv64 --version
qemu-riscv64 version 7.0.0
Copyright (c) 2003-2022 Fabrice Bellard and the QEMU Project developers

$ rustc -Vv
rustc 1.75.0-nightly (1c05d50c8 2023-10-21)
binary: rustc
commit-hash: 1c05d50c8403c56d9a8b6fb871f15aaa26fb5d07
commit-date: 2023-10-21
host: aarch64-unknown-linux-gnu
release: 1.75.0-nightly
LLVM version: 17.0.3

理解App执行环境

三叶虫LibOS总体结构

通过下图，大致可以看出Qemu把包含app和三叶虫LibOS的image镜像加载到内存中，RustSBI（bootloader）完成基本的硬件初始化后，跳转到三叶虫LibOS起始位置，三叶虫LibOS首先进行app执行前的初始化工作，即建立栈空间和清零bss段，然后跳转到app去执行。app在执行过程中，会通过函数调用的方式得到三叶虫LibOS提供的OS服务，如输出字符串等，避免了app与硬件直接交互的繁琐过程。

LibOS-arch

注: 图中的S-Mode和M-Mode是RISC-V 处理器架构中的两种特权级别。S-Mode 指的是 Supervisor 模式，是操作系统使用的特权级别，可执行特权指令等。M-Mode是 Machine模式，其特权级别比S-Mode还高，可以访问RISC-V处理器中的所有系统资源。

App执行环境栈介绍

在现代通用操作系统（如 Linux）上运行应用程序，需要多层次的执行环境栈支持，图中的白色块自上而下表示各级执行环境，黑色块则表示相邻两层执行环境之间的接口。下层作为上层的执行环境，支持上层代码运行。

OS环境栈

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计算机科学中遇到的所有问题都可通过增加一层抽象来解决。
All problems in computer science can be solved by another level of indirection。
—— 计算机科学家 David Wheeler

编译器工作流程介绍

现代编译器工具集（以C或Rust编译器为例）的主要工作流程如下：

源代码（source code） –> 预处理器（preprocessor） –> 宏展开的源代码
宏展开的源代码 –> 编译器（compiler） –> 汇编程序
汇编程序 –> 汇编器（assembler）–> 目标代码（object code）
目标代码 –> 链接器（linker） –> 可执行文件（executables）

Hello World之路

按照第一章：应用程序与基本执行环境教程步骤，一步一步编写Hello World时，可能会遇到以下问题：

执行make run命令后，可能没有任何响应。这可能是由于 rustsbi-qemu bootloader包需要更新。在本文撰写时，建议使用最新Prereleased 2023-03-06版本。
完成教程中所有代码后，可能会发现持续打印出 It should shutdown! 信息，并出现各种乱码。这主要是因为sbi 标准已经更改，原代码不再适用。我们已经在这里提供了新版本的代码，并将相关代码上传到了 ch1 目录。执行make run后，若看到效果如下所示，那就代表第一课 Hello World 内容准备完成了。