构建裸机执行环境

有了上一节实现的用户态的最小执行环境，稍加改造，就可以完成裸机上的最小执行环境了。 本节中，我们将把 Hello world! 应用程序从用户态搬到内核态。

裸机启动过程

用 QEMU 软件 qemu-system-riscv64 来模拟 RISC-V 64 计算机。加载内核程序的命令如下：

qemu-system-riscv64 \
            -machine virt \
            -nographic \
            -bios $(BOOTLOADER) \
            -device loader,file=$(KERNEL_BIN),addr=$(KERNEL_ENTRY_PA)

  • -bios $(BOOTLOADER) 意味着硬件加载了一个 BootLoader 程序，即 RustSBI

  • -device loader,file=$(KERNEL_BIN),addr=$(KERNEL_ENTRY_PA) 表示硬件内存中的特定位置 $(KERNEL_ENTRY_PA) 放置了操作系统的二进制代码 $(KERNEL_BIN) 。 $(KERNEL_ENTRY_PA) 的值是 0x80200000 。

当我们执行包含上述启动参数的 qemu-system-riscv64 软件，就意味给这台虚拟的 RISC-V64 计算机加电了。 此时，CPU 的其它通用寄存器清零，而 PC 会指向 0x1000 的位置，这里有固化在硬件中的一小段引导代码， 它会很快跳转到 0x80000000 的 RustSBI 处。 RustSBI完成硬件初始化后，会跳转到 $(KERNEL_BIN) 所在内存位置 0x80200000 处， 执行操作系统的第一条指令。

../_images/chap1-intro.png

注解

RustSBI 是什么？

SBI 是 RISC-V 的一种底层规范，RustSBI 是它的一种实现。 操作系统内核与 RustSBI 的关系有点像应用与操作系统内核的关系，后者向前者提供一定的服务。只是SBI提供的服务很少， 比如关机，显示字符串等。

实现关机功能

对上一节实现的代码稍作调整，通过 ecall 调用 RustSBI 实现关机功能：

// bootloader/rustsbi-qemu.bin 直接添加的SBI规范实现的二进制代码，给操作系统提供基本支持服务

// os/src/sbi.rs
fn sbi_call(which: usize, arg0: usize, arg1: usize, arg2: usize) -> usize {
 let mut ret;
  unsafe {
      core::arch::asm!(
          "ecall",
...

const SBI_SHUTDOWN: usize = 8;

pub fn shutdown() -> ! {
    sbi_call(SBI_SHUTDOWN, 0, 0, 0);
    panic!("It should shutdown!");
}

// os/src/main.rs
#[no_mangle]
extern "C" fn _start() {
    shutdown();
}

应用程序访问操作系统提供的系统调用的指令是 ecall ，操作系统访问 RustSBI提供的SBI调用的指令也是 ecall ， 虽然指令一样，但它们所在的特权级是不一样的。 简单地说，应用程序位于最弱的用户特权级（User Mode）， 操作系统位于内核特权级（Supervisor Mode）， RustSBI位于机器特权级（Machine Mode）。 下一章会进一步阐释具体细节。

编译执行，结果如下：

# 编译生成ELF格式的执行文件
$ cargo build --release
 Compiling os v0.1.0 (/media/chyyuu/ca8c7ba6-51b7-41fc-8430-e29e31e5328f/thecode/rust/os_kernel_lab/os)
  Finished release [optimized] target(s) in 0.15s
# 把ELF执行文件转成bianary文件
$ rust-objcopy --binary-architecture=riscv64 target/riscv64gc-unknown-none-elf/release/os --strip-all -O binary target/riscv64gc-unknown-none-elf/release/os.bin

# 加载运行
$ qemu-system-riscv64 -machine virt -nographic -bios ../bootloader/rustsbi-qemu.bin -device loader,file=target/riscv64gc-unknown-none-elf/release/os.bin,addr=0x80200000
# 无法退出，风扇狂转，感觉碰到死循环

问题在哪？通过 rust-readobj 分析 os 可执行程序，发现其入口地址不是 RustSBI 约定的 0x80200000 。我们需要修改程序的内存布局并设置好栈空间。

设置正确的程序内存布局

可以通过 链接脚本 (Linker Script) 调整链接器的行为，使得最终生成的可执行文件的内存布局符合我们的预期。

修改 Cargo 的配置文件来使用我们自己的链接脚本 os/src/linker.ld：

1// os/.cargo/config
2[build]
3target = "riscv64gc-unknown-none-elf"
4
5[target.riscv64gc-unknown-none-elf]
6rustflags = [
7    "-Clink-arg=-Tsrc/linker.ld", "-Cforce-frame-pointers=yes"
8]

具体的链接脚本 os/src/linker.ld 如下：

 1OUTPUT_ARCH(riscv)
 2ENTRY(_start)
 3BASE_ADDRESS = 0x80200000;
 4
 5SECTIONS
 6{
 7    . = BASE_ADDRESS;
 8    skernel = .;
 9
10    stext = .;
11    .text : {
12        *(.text.entry)
13        *(.text .text.*)
14    }
15
16    . = ALIGN(4K);
17    etext = .;
18    srodata = .;
19    .rodata : {
20        *(.rodata .rodata.*)
21    }
22
23    . = ALIGN(4K);
24    erodata = .;
25    sdata = .;
26    .data : {
27        *(.data .data.*)
28    }
29
30    . = ALIGN(4K);
31    edata = .;
32    .bss : {
33        *(.bss.stack)
34        sbss = .;
35        *(.bss .bss.*)
36    }
37
38    . = ALIGN(4K);
39    ebss = .;
40    ekernel = .;
41
42    /DISCARD/ : {
43        *(.eh_frame)
44    }
45}

第 1 行我们设置了目标平台为 riscv ；第 2 行我们设置了整个程序的入口点为之前定义的全局符号 _start； 第 3 行定义了一个常量 BASE_ADDRESS 为 0x80200000 ，RustSBI 期望的 OS 起始地址；

注意

linker 脚本的语法不做要求，感兴趣的同学可以自行查阅相关资料。

从 BASE_ADDRESS 开始，代码段 .text, 只读数据段 .rodata，数据段 .data, bss 段 .bss 由低到高依次放置， 且每个段都有两个全局变量给出其起始和结束地址（比如 .text 段的开始和结束地址分别是 stext 和 etext ）。

正确配置栈空间布局

用另一段汇编代码初始化栈空间：

 1# os/src/entry.asm
 2    .section .text.entry
 3    .globl _start
 4_start:
 5    la sp, boot_stack_top
 6    call rust_main
 7
 8    .section .bss.stack
 9    .globl boot_stack
10boot_stack:
11    .space 4096 * 16
12    .globl boot_stack_top
13boot_stack_top:

在第 8 行，我们预留了一块大小为 4096 * 16 字节，也就是 \(64\text{KiB}\) 的空间， 用作操作系统的栈空间。 栈顶地址被全局符号 boot_stack_top 标识，栈底则被全局符号 boot_stack 标识。 同时，这块栈空间被命名为 .bss.stack ，链接脚本里有它的位置。

_start 作为操作系统的入口地址，将依据链接脚本被放在 BASE_ADDRESS 处。 la sp, boot_stack_top 作为 OS 的第一条指令， 将 sp 设置为栈空间的栈顶。 简单起见，我们目前不考虑 sp 越过栈底 boot_stack ，也就是栈溢出的情形。 第二条指令则是函数调用 rust_main ，这里的 rust_main 是我们稍后自己编写的应用入口。

接着，我们在 main.rs 中嵌入这些汇编代码并声明应用入口 rust_main ：

 1// os/src/main.rs
 2#![no_std]
 3#![no_main]
 4
 5mod lang_items;
 6
 7core::arch::global_asm!(include_str!("entry.asm"));
 8
 9#[no_mangle]
10pub fn rust_main() -> ! {
11    shutdown();
12}

背景高亮指出了 main.rs 中新增的代码。

第 7 行，我们使用 global_asm 宏，将同目录下的汇编文件 entry.asm 嵌入到代码中。

从第 9 行开始， 我们声明了应用的入口点 rust_main ，需要注意的是，这里通过宏将 rust_main 标记为 #[no_mangle] 以避免编译器对它的名字进行混淆，不然在链接时， entry.asm 将找不到 main.rs 提供的外部符号 rust_main，导致链接失败。

再次使用上节中的编译，生成和运行操作，我们看到QEMU模拟的RISC-V 64计算机 优雅 地退出了！

# 教程使用的 RustSBI 版本比代码框架稍旧，输出有所不同
$ qemu-system-riscv64 \
> -machine virt \
> -nographic \
> -bios ../bootloader/rustsbi-qemu.bin \
> -device loader,file=target/riscv64gc-unknown-none-elf/release/os.bin,addr=0x80200000
[rustsbi] Version 0.1.0
.______       __    __      _______.___________.  _______..______   __
|   _  \     |  |  |  |    /       |           | /       ||   _  \ |  |
|  |_)  |    |  |  |  |   |   (----`---|  |----`|   (----`|  |_)  ||  |
|      /     |  |  |  |    \   \       |  |      \   \    |   _  < |  |
|  |\  \----.|  `--'  |.----)   |      |  |  .----)   |   |  |_)  ||  |
| _| `._____| \______/ |_______/       |__|  |_______/    |______/ |__|

[rustsbi] Platform: QEMU
[rustsbi] misa: RV64ACDFIMSU
[rustsbi] mideleg: 0x222
[rustsbi] medeleg: 0xb1ab
[rustsbi] Kernel entry: 0x80200000

清空 .bss 段

等一等，与内存相关的部分太容易出错了， 清零 .bss 段 的工作我们还没有完成。

 1// os/src/main.rs
 2fn clear_bss() {
 3    extern "C" {
 4        fn sbss();
 5        fn ebss();
 6    }
 7    (sbss as usize..ebss as usize).for_each(|a| {
 8        unsafe { (a as *mut u8).write_volatile(0) }
 9    });
10}
11
12pub fn rust_main() -> ! {
13    clear_bss();
14    shutdown();
15}

链接脚本 linker.ld 中给出的全局符号 sbss 和 ebss 让我们能轻松确定 .bss 段的位置。

添加裸机打印相关函数

在上一节中我们为用户态程序实现的 println 宏，略作修改即可用于本节的内核态操作系统。 详见 os/src/console.rs。

利用 println 宏，我们重写异常处理函数 panic，使其在 panic 时能打印错误发生的位置。 相关代码位于 os/src/lang_items.rs 中。

我们还使用第三方库 log 为你实现了日志模块，相关代码位于 os/src/logging.rs 中。

注解

在 cargo 项目中引入外部库 log，需要修改 Cargo.toml 加入相应的依赖信息。

现在，让我们重复一遍本章开头的试验，make run LOG=TRACE！

../_images/color-demo.png

至此，我们完成了第一章的实验内容，

注解

背景知识：理解应用程序和执行环境