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rust写操作系统 rCore tutorial 学习笔记：实验指导零创建项目与启动

笔记学习操作系统

2023-03-07 09:08:36 时间

这是 os summer of code 2020 项目每日记录的一部分：每日记录github地址（包含根据实验指导实现的每个阶段的代码）：https://github.com/yunwei37/os-summer-of-code-daily

这里参考的是rCore tutorial的第三版：https://github.com/rcore-os/rCore-Tutorial

rCore tutorial environment && lab 0

环境配置

本机环境（新安装的虚拟机系统，上一个系统是搞xv6的qemu，感觉可能实验环境会有冲突不如再开一个）：

Linux ubuntu 5.4.0-26-generic #30-Ubuntu SMP Mon Apr 20 16:58:30 UTC 2020 x86_64 x86_64 x86_64 GNU/Linux

已换源至阿里云，但版本过低；

安装 QEMU

先 sudo apt-get install build-essential 安装编译工具链；
下载源码编译：

wget https://download.qemu.org/qemu-4.2.0.tar.xz
tar xvJf qemu-4.2.0.tar.xz
cd qemu-4.2.0
./configure --target-list=riscv32-softmmu,riscv64-softmmu

报错ERROR: glib-2.48 gthread-2.0 is required to compile QEMU：通过 sudo apt-get install libglib2.0-dev 安装;
报错 ERROR: pixman >= 0.21.8 not present ，通过 sudo apt-get install libpixman-1-dev 安装
测试

yunwei@ubuntu:~/rcore$ qemu-system-riscv64 --version
QEMU emulator version 4.2.0
Copyright (c) 2003-2019 Fabrice Bellard and the QEMU Project developers

安装 Rust 工具链

运行curl https://sh.rustup.rs -sSf | sh；

尝试运行 rCore

git clone https://github.com/rcore-os/rCore-Tutorial
make

Failed to execute tool: objcopy
No such file or directory (os error 2)
make[1]: *** [Makefile:28: target/riscv64imac-unknown-none-elf/debug/kernel.bin] Error 101

可能是我先做了下面导致的问题，之后再说；

lab 0: 跑起来

创建 Rust 项目

创建文件夹，并创建项目：

mkdir Project     
cd Project     
echo "nightly-2020-06-27" > rust-toolchain
cargo new os
cd os

Test：cargo run

移除标准库依赖:

main.rs

#![no_std]

use core::panic::PanicInfo;

/// 当 panic 发生时会调用该函数
/// 我们暂时将它的实现为一个死循环
#[panic_handler]
fn panic(_info: &PanicInfo) -> ! {
    loop {}
}

Cargo.toml

[package]
name = "os"
version = "0.1.0"
authors = ["yunwei"]
edition = "2018"

# panic 时直接终止，因为我们没有实现堆栈展开的功能
[profile.dev]
panic = "abort"

[profile.release]
panic = "abort"

# See more keys and their definitions at https://doc.rust-lang.org/cargo/reference/manifest.html

[dependencies]

移除运行时环境依赖

main.rs

#![no_std]

use core::panic::PanicInfo;

/// 当 panic 发生时会调用该函数
/// 我们暂时将它的实现为一个死循环
#[panic_handler]
fn panic(_info: &PanicInfo) -> ! {
    loop {}
}

运行：rustup target add riscv64imac-unknown-none-elf
运行：cargo build --target riscv64imac-unknown-none-elf

结果：

yunwei@ubuntu:~/Project/os$ cargo build --target riscv64imac-unknown-none-elf
   Compiling os v0.1.0 (/home/yunwei/Project/os)
    Finished dev [unoptimized + debuginfo] target(s) in 0.06s

在 os/.cargo/config 里面添加了这个:

# 编译的目标平台
[build]
target = "riscv64imac-unknown-none-elf"

就可以 cargo build 啦

生成内核镜像

运行：

cargo install cargo-binutils
rustup component add llvm-tools-preview

rust-objdump --version

@ubuntu:~/Project/os$ rust-objdump --version
LLVM (http://llvm.org/):
  LLVM version 10.0.1-rust-1.46.0-nightly
  Optimized build.
  Default target: x86_64-unknown-linux-gnu
  Host CPU: skylake

  Registered Targets:
    aarch64    - AArch64 (little endian)
    aarch64_32 - AArch64 (little endian ILP32)
    aarch64_be - AArch64 (big endian)
    arm        - ARM
    arm64      - ARM64 (little endian)
    arm64_32   - ARM64 (little endian ILP32)
    armeb      - ARM (big endian)
    avr        - Atmel AVR Microcontroller
    hexagon    - Hexagon
    mips       - MIPS (32-bit big endian)
    mips64     - MIPS (64-bit big endian)
    mips64el   - MIPS (64-bit little endian)
    mipsel     - MIPS (32-bit little endian)
    msp430     - MSP430 [experimental]
    nvptx      - NVIDIA PTX 32-bit
    nvptx64    - NVIDIA PTX 64-bit
    ppc32      - PowerPC 32
    ppc64      - PowerPC 64
    ppc64le    - PowerPC 64 LE
    riscv32    - 32-bit RISC-V
    riscv64    - 64-bit RISC-V
    sparc      - Sparc
    sparcel    - Sparc LE
    sparcv9    - Sparc V9
    systemz    - SystemZ
    thumb      - Thumb
    thumbeb    - Thumb (big endian)
    wasm32     - WebAssembly 32-bit
    wasm64     - WebAssembly 64-bit
    x86        - 32-bit X86: Pentium-Pro and above
    x86-64     - 64-bit X86: EM64T and AMD64

运行：

target/riscv64imac-unknown-none-elf/debug/os: ELF 64-bit LSB executable, UCB RISC-V, version 1 (SYSV), statically linked, with debug_info, not stripped

运行：(和教程里面并不完全一样)

yunwei@ubuntu:~/Project/os$ rust-objdump target/riscv64imac-unknown-none-elf/debug/os -x --arch-name=riscv64

target/riscv64imac-unknown-none-elf/debug/os:	file format ELF64-riscv

architecture: riscv64
start address: 0x0000000000011120

Program Header:
    PHDR off    0x0000000000000040 vaddr 0x0000000000010040 paddr 0x0000000000010040 align 2**3
         filesz 0x00000000000000e0 memsz 0x00000000000000e0 flags r--
    LOAD off    0x0000000000000000 vaddr 0x0000000000010000 paddr 0x0000000000010000 align 2**12
         filesz 0x0000000000000120 memsz 0x0000000000000120 flags r--
    LOAD off    0x0000000000000120 vaddr 0x0000000000011120 paddr 0x0000000000011120 align 2**12
         filesz 0x0000000000000004 memsz 0x0000000000000004 flags r-x
   STACK off    0x0000000000000000 vaddr 0x0000000000000000 paddr 0x0000000000000000 align 2**64
         filesz 0x0000000000000000 memsz 0x0000000000000000 flags rw-

Dynamic Section:
Sections:
Idx Name            Size     VMA              Type
  0                 00000000 0000000000000000 
  1 .text           00000004 0000000000011120 TEXT
  2 .debug_str      000003fd 0000000000000000 
  3 .debug_abbrev   00000113 0000000000000000 
  4 .debug_info     0000053c 0000000000000000 
  5 .debug_aranges  00000040 0000000000000000 
  6 .debug_ranges   00000030 0000000000000000 
  7 .debug_pubnames 000000a4 0000000000000000 
  8 .debug_pubtypes 00000308 0000000000000000 
  9 .debug_frame    00000050 0000000000000000 
 10 .debug_line     0000005b 0000000000000000 
 11 .comment        00000013 0000000000000000 
 12 .symtab         00000108 0000000000000000 
 13 .shstrtab       000000a5 0000000000000000 
 14 .strtab         0000002d 0000000000000000 

SYMBOL TABLE:
0000000000000000 l    df *ABS*	00000000 3gqd1qcioyc9uzqc
0000000000011120         .text	00000000 
0000000000011120         .text	00000000 
0000000000011120         .text	00000000 
0000000000011124         .text	00000000 
0000000000000000         .debug_info	00000000 
0000000000000000         .debug_ranges	00000000 
0000000000000000         .debug_frame	00000000 
0000000000000000         .debug_line	00000000 .Lline_table_start0
0000000000011120 g     F .text	00000004 _start

反汇编：

yunwei@ubuntu:~/Project/os$ rust-objdump target/riscv64imac-unknown-none-elf/debug/os -d --arch-name=riscv64

target/riscv64imac-unknown-none-elf/debug/os:	file format ELF64-riscv


Disassembly of section .text:

0000000000011120 _start:
   11120: 09 a0                        	j	2
   11122: 01 a0                        	j	0

生成镜像：

rust-objcopy target/riscv64imac-unknown-none-elf/debug/os --strip-all -O binary target/riscv64imac-unknown-none-elf/debug/kernel.bin

调整内存布局

可以参考：https://sourceware.org/binutils/docs/ld/Scripts.html 但还没去看

编写链接脚本：

/* 有关 Linker Script 可以参考：https://sourceware.org/binutils/docs/ld/Scripts.html */

/* 目标架构 */
OUTPUT_ARCH(riscv)

/* 执行入口 */
ENTRY(_start)

/* 数据存放起始地址 */
BASE_ADDRESS = 0x80200000;

SECTIONS
{
    /* . 表示当前地址（location counter） */
    . = BASE_ADDRESS;

    /* start 符号表示全部的开始位置 */
    kernel_start = .;

    text_start = .;

    /* .text 字段 */
    .text : {
        /* 把 entry 函数放在最前面 */
        *(.text.entry)
        /* 要链接的文件的 .text 字段集中放在这里 */
        *(.text .text.*)
    }

    rodata_start = .;

    /* .rodata 字段 */
    .rodata : {
        /* 要链接的文件的 .rodata 字段集中放在这里 */
        *(.rodata .rodata.*)
    }

    data_start = .;

    /* .data 字段 */
    .data : {
        /* 要链接的文件的 .data 字段集中放在这里 */
        *(.data .data.*)
    }

    bss_start = .;

    /* .bss 字段 */
    .bss : {
        /* 要链接的文件的 .bss 字段集中放在这里 */
        *(.sbss .bss .bss.*)
    }

    /* 结束地址 */
    kernel_end = .;
}

在os/.cargo/config里面添加：

# 使用我们的 linker script 来进行链接
[target.riscv64imac-unknown-none-elf]
rustflags = [
    "-C", "link-arg=-Tsrc/linker.ld",
]

cargo build
rust-objdump target/riscv64imac-unknown-none-elf/debug/os -h --arch-name=riscv64

输出：

Idx Name            Size     VMA              Type
  0                 00000000 0000000000000000 
  1 .text           00000004 0000000080200000 TEXT
  2 .debug_str      000003fd 0000000000000000 
  3 .debug_abbrev   00000113 0000000000000000 
  4 .debug_info     0000053c 0000000000000000 
  5 .debug_aranges  00000040 0000000000000000 
  6 .debug_ranges   00000030 0000000000000000 
  7 .debug_pubnames 000000a4 0000000000000000 
  8 .debug_pubtypes 00000308 0000000000000000 
  9 .debug_frame    00000050 0000000000000000 
 10 .debug_line     0000005b 0000000000000000 
 11 .comment        00000013 0000000000000000 
 12 .symtab         000001b0 0000000000000000 
 13 .shstrtab       000000a5 0000000000000000 
 14 .strtab         0000007f 0000000000000000

rust-objdump target/riscv64imac-unknown-none-elf/debug/os -d --arch-name=riscv64

yunwei@ubuntu:~/Project/os$ rust-objdump target/riscv64imac-unknown-none-elf/debug/os -d --arch-name=riscv64

target/riscv64imac-unknown-none-elf/debug/os:	file format ELF64-riscv


Disassembly of section .text:

0000000080200000 text_start:
80200000: 09 a0                        	j	2
80200002: 01 a0                        	j	0

似乎并没有把错误处理函数编译出来；

重写程序入口点 _start

OpenSBI 固件（Firmware）
OpenSBI 所做的一件事情就是把 CPU 从 M Mode 切换到 S Mode，接着跳转到一个固定地址 0x80200000，开始执行内核代码。

使用 QEMU 运行内核

把 main.rs 换成：

//! # 全局属性
//! - `#![no_std]`  
//!   禁用标准库
#![no_std]
//!
//! - `#![no_main]`  
//!   不使用 `main` 函数等全部 Rust-level 入口点来作为程序入口
#![no_main]
//! # 一些 unstable 的功能需要在 crate 层级声明后才可以使用
//! - `#![feature(asm)]`  
//!   内嵌汇编
#![feature(asm)]
//!
//! - `#![feature(global_asm)]`
//!   内嵌整个汇编文件
#![feature(global_asm)]

// 汇编编写的程序入口，具体见该文件
global_asm!(include_str!("entry.asm"));

use core::panic::PanicInfo;

/// 当 panic 发生时会调用该函数
/// 我们暂时将它的实现为一个死循环
#[panic_handler]
fn panic(_info: &PanicInfo) -> ! {
    loop {}
}

/// 在屏幕上输出一个字符，目前我们先不用了解其实现原理
pub fn console_putchar(ch: u8) {
    let _ret: usize;
    let arg0: usize = ch as usize;
    let arg1: usize = 0;
    let arg2: usize = 0;
    let which: usize = 1;
    unsafe {
        llvm_asm!("ecall"
             : "={x10}" (_ret)
             : "{x10}" (arg0), "{x11}" (arg1), "{x12}" (arg2), "{x17}" (which)
             : "memory"
             : "volatile"
        );
    }
}

/// Rust 的入口函数
///
/// 在 `_start` 为我们进行了一系列准备之后，这是第一个被调用的 Rust 函数
#[no_mangle]
pub extern "C" fn rust_main() -> ! {
    // 在屏幕上输出 "OK\n" ，随后进入死循环
    console_putchar(b'O');
    console_putchar(b'K');
    console_putchar(b'\n');

    loop {}
}

编译的时候会出现：

yunwei@ubuntu:~/Project/os$ cargo build
   Compiling os v0.1.0 (/home/yunwei/Project/os)
error[E0658]: use of unstable library feature 'llvm_asm': prefer using the new asm! syntax instead
  --> src/main.rs:38:9
   |
38 |         llvm_asm!("ecall"
   |         ^^^^^^^^
   |
   = note: see issue #70173 <https://github.com/rust-lang/rust/issues/70173> for more information
   = help: add `#![feature(llvm_asm)]` to the crate attributes to enable

error: aborting due to previous error

For more information about this error, try `rustc --explain E0658`.
error: could not compile `os`.

To learn more, run the command again with --verbose.

根据编译器的提示，在头部添加：

#![feature(llvm_asm)]

编译通过；

尝试建立makefile：

TARGET      := riscv64imac-unknown-none-elf
MODE        := debug
KERNEL_FILE := target/$(TARGET)/$(MODE)/os
BIN_FILE    := target/$(TARGET)/$(MODE)/kernel.bin

OBJDUMP     := rust-objdump --arch-name=riscv64
OBJCOPY     := rust-objcopy --binary-architecture=riscv64

.PHONY: doc kernel build clean qemu run env

# 默认 build 为输出二进制文件
build: $(BIN_FILE) 

# 通过 Rust 文件中的注释生成 os 的文档
doc:
    @cargo doc --document-private-items

# 编译 kernel
kernel:
    @cargo build

# 生成 kernel 的二进制文件
$(BIN_FILE): kernel
    @$(OBJCOPY) $(KERNEL_FILE) --strip-all -O binary $@

# 查看反汇编结果
asm:
    @$(OBJDUMP) -d $(KERNEL_FILE) | less

# 清理编译出的文件
clean:
    @cargo clean

# 运行 QEMU
qemu: build
    @qemu-system-riscv64 \
            -machine virt \
            -nographic \
            -bios default \
            -device loader,file=$(BIN_FILE),addr=0x80200000

# 一键运行
run: build qemu

输入 make run ，报错： Makefile:16: *** missing separator. Stop.

问题解决：

如果是直接复制的话，可能会把 Makefile 的 tab 键替换为空格键，而 makefile 的命令行，开头必须用 tab 键；比如把

doc:
    @cargo doc --document-private-items

@前面的空格替换为 tab 即可解决问题。

输出：

OpenSBI v0.5 (Oct  9 2019 12:03:04)
   ____                    _____ ____ _____
  / __ \                  / ____|  _ \_   _|
 | |  | |_ __   ___ _ __ | (___ | |_) || |
 | |  | | '_ \ / _ \ '_ \ \___ \|  _ < | |
 | |__| | |_) |  __/ | | |____) | |_) || |_
  \____/| .__/ \___|_| |_|_____/|____/_____|
        | |
        |_|

Platform Name          : QEMU Virt Machine
Platform HART Features : RV64ACDFIMSU
Platform Max HARTs     : 8
Current Hart           : 0
Firmware Base          : 0x80000000
Firmware Size          : 116 KB
Runtime SBI Version    : 0.2

PMP0: 0x0000000080000000-0x000000008001ffff (A)
PMP1: 0x0000000000000000-0xffffffffffffffff (A,R,W,X)
OK

看起来是OK的；

执行 kill, 退出 qemu

接口封装和代码整理

可以考虑去看看 openSBI的文档：https://github.com/riscv/riscv-sbi-doc/blob/master/riscv-sbi.adoc#legacy-sbi-extension-extension-ids-0x00-through-0x0f

新建os/src/sbi.rs文件：

//! 调用 Machine 层的操作
// 目前还不会用到全部的 SBI 调用，暂时允许未使用的变量或函数
#![allow(unused)]

/// SBI 调用
#[inline(always)]
fn sbi_call(which: usize, arg0: usize, arg1: usize, arg2: usize) -> usize {
    let ret;
    unsafe {
        llvm_asm!("ecall"
            : "={x10}" (ret)
            : "{x10}" (arg0), "{x11}" (arg1), "{x12}" (arg2), "{x17}" (which)
            : "memory"      // 如果汇编可能改变内存，则需要加入 memory 选项
            : "volatile");  // 防止编译器做激进的优化（如调换指令顺序等破坏 SBI 调用行为的优化）
    }
    ret
}

const SBI_SET_TIMER: usize = 0;
const SBI_CONSOLE_PUTCHAR: usize = 1;
const SBI_CONSOLE_GETCHAR: usize = 2;
const SBI_CLEAR_IPI: usize = 3;
const SBI_SEND_IPI: usize = 4;
const SBI_REMOTE_FENCE_I: usize = 5;
const SBI_REMOTE_SFENCE_VMA: usize = 6;
const SBI_REMOTE_SFENCE_VMA_ASID: usize = 7;
const SBI_SHUTDOWN: usize = 8;

/// 向控制台输出一个字符
///
/// 需要注意我们不能直接使用 Rust 中的 char 类型
pub fn console_putchar(c: usize) {
    sbi_call(SBI_CONSOLE_PUTCHAR, c, 0, 0);
}

/// 从控制台中读取一个字符
///
/// 没有读取到字符则返回 -1
pub fn console_getchar() -> usize {
    sbi_call(SBI_CONSOLE_GETCHAR, 0, 0, 0)
}

/// 调用 SBI_SHUTDOWN 来关闭操作系统（直接退出 QEMU）
pub fn shutdown() -> ! {
    sbi_call(SBI_SHUTDOWN, 0, 0, 0);
    unreachable!()
}

新建os/src/console.rs文件：

//! 实现控制台的字符输入和输出
//! 
//! # 格式化输出
//! 
//! [`core::fmt::Write`] trait 包含
//! - 需要实现的 [`write_str`] 方法
//! - 自带实现，但依赖于 [`write_str`] 的 [`write_fmt`] 方法
//! 
//! 我们声明一个类型，为其实现 [`write_str`] 方法后，就可以使用 [`write_fmt`] 来进行格式化输出
//! 
//! [`write_str`]: core::fmt::Write::write_str
//! [`write_fmt`]: core::fmt::Write::write_fmt

use crate::sbi::*;
use core::fmt::{self, Write};

/// 一个 [Zero-Sized Type]，实现 [`core::fmt::Write`] trait 来进行格式化输出
/// 
/// ZST 只可能有一个值（即为空），因此它本身就是一个单件
struct Stdout;

impl Write for Stdout {
    /// 打印一个字符串
    /// 
    /// 对于每一个字符调用 [`console_putchar`]
    fn write_str(&mut self, s: &str) -> fmt::Result {
        for c in s.chars() {
            console_putchar(c as usize);
        }
        Ok(())
    }
}

/// 打印由 [`core::format_args!`] 格式化后的数据
/// 
/// [`print!`] 和 [`println!`] 宏都将展开成此函数
/// 
/// [`core::format_args!`]: https://doc.rust-lang.org/nightly/core/macro.format_args.html
pub fn print(args: fmt::Arguments) {
    Stdout.write_fmt(args).unwrap();
}

/// 实现类似于标准库中的 `print!` 宏
/// 
/// 使用实现了 [`core::fmt::Write`] trait 的 [`console::Stdout`]
#[macro_export]
macro_rules! print {
    ($fmt: literal $(, $($arg: tt)+)?) => {
        $crate::console::print(format_args!($fmt $(, $($arg)+)?));
    }
}

/// 实现类似于标准库中的 `println!` 宏
/// 
/// 使用实现了 [`core::fmt::Write`] trait 的 [`console::Stdout`]
#[macro_export]
macro_rules! println {
    ($fmt: literal $(, $($arg: tt)+)?) => {
        $crate::console::print(format_args!(concat!($fmt, "\n") $(, $($arg)+)?));
    }
}

新建os/src/panic.rs文件：

//! 代替 std 库，实现 panic 和 abort 的功能

use core::panic::PanicInfo;
use crate::sbi::shutdown;

/// 打印 panic 的信息并 [`shutdown`]
///
/// ### `#[panic_handler]` 属性
/// 声明此函数是 panic 的回调
#[panic_handler]
fn panic_handler(info: &PanicInfo) -> ! {
    // `\x1b[??m` 是控制终端字符输出格式的指令，在支持的平台上可以改变文字颜色等等
    // 这里使用错误红
    // 需要全局开启 feature(panic_info_message) 才可以调用 .message() 函数
    // 参考：https://misc.flogisoft.com/bash/tip_colors_and_formatting
    println!("\x1b[1;31mpanic: '{}'\x1b[0m", info.message().unwrap());
    shutdown()
}

/// 终止程序
/// 
/// 调用 [`panic_handler`]
#[no_mangle]
extern "C" fn abort() -> ! {
    panic!("abort()")
}

新建os/src/main.rs文件：

//! # 全局属性
//! - `#![no_std]`  
//!   禁用标准库
#![no_std]
//!
//! - `#![no_main]`  
//!   不使用 `main` 函数等全部 Rust-level 入口点来作为程序入口
#![no_main]
//!
//! - `#![deny(missing_docs)]`  
//!   任何没有注释的地方都会产生警告：这个属性用来压榨写实验指导的学长，同学可以删掉了
#![warn(missing_docs)]
//! # 一些 unstable 的功能需要在 crate 层级声明后才可以使用
//! - `#![feature(asm)]`  
//!   内嵌汇编
#![feature(asm)]
//!
//! - `#![feature(global_asm)]`  
//!   内嵌整个汇编文件
#![feature(global_asm)]
//!
//! - `#![feature(llvm_asm)]`
//!   声明需要使用 llvm_asm 宏特性
#![feature(llvm_asm)]
//!
//! - `#![feature(panic_info_message)]`  
//!   panic! 时，获取其中的信息并打印
#![feature(panic_info_message)]

#[macro_use]
mod console;
mod panic;
mod sbi;

// 汇编编写的程序入口，具体见该文件
global_asm!(include_str!("entry.asm"));

/// Rust 的入口函数
///
/// 在 `_start` 为我们进行了一系列准备之后，这是第一个被调用的 Rust 函数
#[no_mangle]
pub extern "C" fn rust_main() -> ! {
    println!("Hello rCore-Tutorial!");
    panic!("end of rust_main")
}

运行：make run:

OpenSBI v0.5 (Oct  9 2019 12:03:04)
   ____                    _____ ____ _____
  / __ \                  / ____|  _ \_   _|
 | |  | |_ __   ___ _ __ | (___ | |_) || |
 | |  | | '_ \ / _ \ '_ \ \___ \|  _ < | |
 | |__| | |_) |  __/ | | |____) | |_) || |_
  \____/| .__/ \___|_| |_|_____/|____/_____|
        | |
        |_|

Platform Name          : QEMU Virt Machine
Platform HART Features : RV64ACDFIMSU
Platform Max HARTs     : 8
Current Hart           : 0
Firmware Base          : 0x80000000
Firmware Size          : 116 KB
Runtime SBI Version    : 0.2

PMP0: 0x0000000080000000-0x000000008001ffff (A)
PMP1: 0x0000000000000000-0xffffffffffffffff (A,R,W,X)
Hello rCore-Tutorial!
panic: 'end of rust_main'

看起来是好啦！

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