rust写操作系统 rCore tutorial 学习笔记：实验指导零 创建项目与启动
2024-05-13 02:57:07
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-Tutorialmake
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-elfCompiling 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-previewrust-objdump --version
@ubuntu:~/Project/os$ rust-objdump --version
LLVM (http://llvm.org/):LLVM version 10.0.1-rust-1.46.0-nightlyOptimized build.Default target: x86_64-unknown-linux-gnuHost CPU: skylakeRegistered Targets:aarch64 - AArch64 (little endian)aarch64_32 - AArch64 (little endian ILP32)aarch64_be - AArch64 (big endian)arm - ARMarm64 - ARM64 (little endian)arm64_32 - ARM64 (little endian ILP32)armeb - ARM (big endian)avr - Atmel AVR Microcontrollerhexagon - Hexagonmips - 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-bitnvptx64 - NVIDIA PTX 64-bitppc32 - PowerPC 32ppc64 - PowerPC 64ppc64le - PowerPC 64 LEriscv32 - 32-bit RISC-Vriscv64 - 64-bit RISC-Vsparc - Sparcsparcel - Sparc LEsparcv9 - Sparc V9systemz - SystemZthumb - Thumbthumbeb - Thumb (big endian)wasm32 - WebAssembly 32-bitwasm64 - WebAssembly 64-bitx86 - 32-bit X86: Pentium-Pro and abovex86-64 - 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=riscv64target/riscv64imac-unknown-none-elf/debug/os: file format ELF64-riscvarchitecture: riscv64
start address: 0x0000000000011120Program Header:PHDR off 0x0000000000000040 vaddr 0x0000000000010040 paddr 0x0000000000010040 align 2**3filesz 0x00000000000000e0 memsz 0x00000000000000e0 flags r--LOAD off 0x0000000000000000 vaddr 0x0000000000010000 paddr 0x0000000000010000 align 2**12filesz 0x0000000000000120 memsz 0x0000000000000120 flags r--LOAD off 0x0000000000000120 vaddr 0x0000000000011120 paddr 0x0000000000011120 align 2**12filesz 0x0000000000000004 memsz 0x0000000000000004 flags r-xSTACK off 0x0000000000000000 vaddr 0x0000000000000000 paddr 0x0000000000000000 align 2**64filesz 0x0000000000000000 memsz 0x0000000000000000 flags rw-Dynamic Section:
Sections:
Idx Name Size VMA Type0 00000000 0000000000000000 1 .text 00000004 0000000000011120 TEXT2 .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=riscv64target/riscv64imac-unknown-none-elf/debug/os: file format ELF64-riscvDisassembly of section .text:0000000000011120 _start:11120: 09 a0 j 211122: 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 buildrust-objdump target/riscv64imac-unknown-none-elf/debug/os -h --arch-name=riscv64
输出：
Idx Name Size VMA Type0 00000000 0000000000000000 1 .text 00000004 0000000080200000 TEXT2 .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=riscv64target/riscv64imac-unknown-none-elf/debug/os: file format ELF64-riscvDisassembly 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 buildCompiling 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 enableerror: aborting due to previous errorFor 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.binOBJDUMP := 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 : 0.2PMP0: 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_fmtuse 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_formattingprintln!("\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 : 0.2PMP0: 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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