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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