# OS中期报告——RustOS for x86_64 SMP

2018.04.12

王润基 朱书聪

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## 选题概述

* 将ucore用Rust重写，使之更加安全和模块化。
* 参考sv6进行SMP优化，使用Commuter进行测试。

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### Why Rust?

* 系统级编程语言
* 安全内存管理模型，保证线程安全
* 支持不安全的底层操作，能和C语言方便交互
* 零开销抽象，拥有现代语言特性

——适合编写OS！适合处理并发问题！

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## 已经完成的调研工作

* Rust for RISCV
* RustOS
* 待移植/参考OS
* Rust与编写OS相关的平台特性

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### Rust for RISCV

* RISCV-Rust-Toolchain：
  * Docker：tarcieri/riscv-rust-toolchain
  * 与之配合的开发环境：riscv-crates
  * 目前无法编译，还在开发中

鉴于这套工具链刚刚诞生，非常不稳定，坑太多，因此我们不再考虑移植到RISCV。

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### RustOS

* 《Writing an OS in Rust》& blog_os：
  * 从零开始写RustOS的教程，平台x86_64
  * 目前实现了Boot，页式内存管理，中断管理
  * 已经读完了全部文章，能够在本机和Docker中编译运行
* Redox：
  * 完成度最高的RustOS，微内核架构，平台x86_64
  * 有GUI，有自己的FS，有用户程序开发环境
  * 正在阅读kernel代码，已经在Docker中完成编译

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### 待移植/参考OS

* xv6：ucore的起源项目，非常精简，但支持SMP。用来理解OS的整体运行机制。
* xv6 x86_64：对比与xv6的不同，参考其x86_64的实现。
* ucore_os_lab：待移植的主体。
* ucore_plus：参考其x86_64的实现。
* sv6：参考其多核优化的实现。

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### Rust与编写OS相关的平台特性

#### 库：
* 标准库std ×，核心库core √
* core提供了最基础的语言特性支持，字符串格式化输出等基础函数，只需指定全局内存分配器，即可享用Vec/Box等大量内置数据结构
#### 内联汇编：
* 格式类似C语言
* x86(_64)已经有封装好的库，无需手动编写

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#### Rust-C互操作：
  * C语言绑定：
    * bindgen工具：自动生成C模块的Rust接口
    * 直接导入符号
  * C对Rust的绑定：
    * 通过简单的`extern "C"`+`no_mangle`即可完成
  * C直接生成Rust：Corrode
    * 在macOS上尝试构建失败
  * Port C to Rust 经验谈：
    * https://github.com/carols10cents/rust-out-your-c-talk

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* 测试：
  * `cargo test`单元测试，`cargo bench`性能测试
  * 由于OS运行在qemu环境中，因此无法使用这个测试框架
  * 但已经在Travis上配置了集成测试（类似ucore）
  * 可以把不依赖OS环境的模块提取成crate，就可以测试了
* 坑：
  * 除了经常过不了编译以外，还没遇到大坑。
  * Rust大法好。

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## 已经完成的编码工作

* 准备开发环境

  根据对RustOS的调研情况，我们计划直接在blog_os的基础上进行开发。目前已经配置好了本地环境，Docker，Travis。

* 熟悉Rust语言和生态特性

  实现了C语言绑定，在线集成测试。

  已经完成了一些OS底层驱动的移植（VGA，Serial，ACPI）。
  
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## 接下来需要做的工作

### 综述

blog_os只实现了页式内存管理和中断，提供了一个RustOS的基础框架。在此基础上，针对ucore的每个lab，还需补全以下内容：

* **lab1：**

  * 修改虚拟地址的映射，使之与ucore匹配。
  * 补全底层驱动（键盘、串口、APIC），重点是能产生时钟中断。
    * 这部分大都是直接操作内存，可以直接链接C代码，以尽快跑起来，之后再用Rust重写。

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* lab2/3：内存管理

  * 物理内存分配器目前只分配不回收，需要完善
  * 页式内存管理没有实现替换机制，需要实现

  *注：由于只是要完善，不影响后面的工作*

* **lab4/5/6：进程管理**

  * 进程管理和调度需要重新设计、整体移植

* lab7：同步互斥

  * 基本的同步机制Rust标准库已经提供

* **lab8：文件系统**

  * 对底层依赖不大，可以独立出去完成（参考Redox的FS）

支持SMP主要依赖进程管理模块，文件系统部分委托合作小组完成。

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### 分工

* 王润基：主要负责前期ucore移植
* 朱书聪：主要负责后期SMP优化

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### 计划

* Week7：完成底层硬件的移植，能跑lab1
* Week8：完善物理/虚拟内存管理，能跑lab2/3
* Week9：移植内核线程、用户进程、调度，能跑lab4/5/6
* Week10：支持SMP，配置Commuter生成代码
* Week11-13：SMP优化