学习os的时间开始了! pixiv:30933181
这个系列的目的还是以讲解xv6-riscv的代码以及记录我在做的事情为主,也会掺杂许多mini-riscv-os的代码介绍(关于xv6-riscv和mini-riscv-os的链接请看参考),并非教程倾向(但也会尽可能讲解一些基础知识),很多细节不会讲到。如果想要更详细的教程我建议你查看参考资料中引用的内容,在这一期我会列出一部参考的项目。
compiler的坑还没走多远,我又要开新的坑了,这是我很久之前想做但不敢做的事情。以前也做过一些尝试,比如说《30天自制os》以及6.828,前者讲的相对比较容易理解一些,但是当时的我缺少实践,后者难度较高,看不懂课后习题只能去查看别人的实现,东抄西抄总算抄完了前四章的内容,最后只留下了一些概念的印象。对我来说学会什么东西只有通过具体去实现,自己很难从什么概念去理解某个东西,也因此之前学的很多知识其实都是非常肤浅无用的。
实现os这件事情看起来是挺吓人的,本身复杂的概念和各种实现,同时需要许多前置知识。同时大多数os的开始都是离谱的x86bootloader,我想这个应该劝退了非常多的人。但最近发现做一个最简易的os或许并没有那么可怕,搜了一些项目,最简单的功能很少的系统只有一两千行代码,相对比较容易学习,同时riscv的bootloader部分没有乱七八糟的历史遗留,十分简洁,不会再因为这个劝退别人。也在这里感谢他们的付出。
此后不再赘述
参考链接
https://pdos.csail.mit.edu/6.828/2019/tools.html
我是在mac(M1)下开发的,homebrew在安装riscv-tools的时候会提示需要安装一些依赖。在我配置的时候遇到了flock这个依赖搞不定的问题,发现直接brew install flock安装的flock是其他东西,因此需要卸载flock并且使用brew tap的命令,安装好依赖再去按riscv-tools
brew uninstall flock
brew tap discoteq/discoteq
brew install flock
brew install riscv-tools
这个没什么好说的,直接用包管理安装就是
mini-riscv-os/01-HelloOs/start.s
.equ STACK_SIZE, 8192
.global _start
_start:
# setup stacks per hart
csrr t0, mhartid # read current hart id
slli t0, t0, 10 # shift left the hart id by 1024
la sp, stacks + STACK_SIZE # set the initial stack pointer
# to the end of the stack space
add sp, sp, t0 # move the current hart stack pointer
# to its place in the stack space
# park harts with id != 0
csrr a0, mhartid # read current hart id
bnez a0, park # if we're not on the hart 0
# we park the hart
j os_main # hart 0 jump to c
park:
wfi
j park
stacks:
.skip STACK_SIZE * 4 # allocate space for the harts stacks
csrr是从csr(Control and Status Register)寄存器中read值,而其中的csrr reg, mhartid则是将hart id读到对应的reg中。hart是riscv中硬件线程的最小单位,在riscv的spec中是这样描述的
A RISC-V compatible core might support multiple RISC-V-compatible hardware threads, or harts, through multithreading.
这里的代码判断如果hart id不是0就跳到park这个循环中。实质上是只开启了一个hart
xv6-riscv/kernel/entry.S
# qemu -kernel loads the kernel at 0x80000000
# and causes each hart (i.e. CPU) to jump there.
# kernel.ld causes the following code to
# be placed at 0x80000000.
.section .text
.global _entry
_entry:
# set up a stack for C.
# stack0 is declared in start.c,
# with a 4096-byte stack per CPU.
# sp = stack0 + (hartid * 4096)
la sp, stack0
li a0, 1024*4
csrr a1, mhartid
addi a1, a1, 1
mul a0, a0, a1
add sp, sp, a0
# jump to start() in start.c
call start
spin:
j spin
xv6的启动代码中考虑了多个hart启动的情况,给每一个hard都设置stack的起始地址。而stack的起始地址是写在其他的c代码中
// entry.S needs one stack per CPU.
__attribute__ ((aligned (16))) char stack0[4096 * NCPU];
在c代码中打印出一个血统纯正的helloworld。这里其实隐含了很多的内容,但是暂且知道这样做就可以打印出helloworld即可。
对于xv6来说在进入os的main之前有许多设置状态的内容,这里暂且不讨论。
mini-riscv-os/01-HelloOs/os.c
#include <stdint.h>
#define UART 0x10000000
#define UART_THR (uint8_t*)(UART+0x00) // THR:transmitter holding register
#define UART_LSR (uint8_t*)(UART+0x05) // LSR:line status register
#define UART_LSR_EMPTY_MASK 0x40 // LSR Bit 6: Transmitter empty; both the THR and LSR are empty
int lib_putc(char ch) {
while ((*UART_LSR & UART_LSR_EMPTY_MASK) == 0);
return *UART_THR = ch;
}
void lib_puts(char *s) {
while (*s) lib_putc(*s++);
}
int os_main(void)
{
lib_puts("hello, world\n");
while (1) {}
return 0;
}
这里主要是需要指定这么几项内容
xv6-riscv/kernel/entry.S
OUTPUT_ARCH( "riscv" )
ENTRY( _entry )
SECTIONS
{
/*
* ensure that entry.S / _entry is at 0x80000000,
* where qemu's -kernel jumps.
*/
. = 0x80000000;
.text : {
*(.text .text.*)
. = ALIGN(0x1000);
_trampoline = .;
*(trampsec)
. = ALIGN(0x1000);
ASSERT(. - _trampoline == 0x1000, "error: trampoline larger than one page");
PROVIDE(etext = .);
}
.rodata : {
. = ALIGN(16);
*(.srodata .srodata.*) /* do not need to distinguish this from .rodata */
. = ALIGN(16);
*(.rodata .rodata.*)
}
.data : {
. = ALIGN(16);
*(.sdata .sdata.*) /* do not need to distinguish this from .data */
. = ALIGN(16);
*(.data .data.*)
}
.bss : {
. = ALIGN(16);
*(.sbss .sbss.*) /* do not need to distinguish this from .bss */
. = ALIGN(16);
*(.bss .bss.*)
}
PROVIDE(end = .);
}
mini-riscv-os/01-HelloOs/Makefile
CC = riscv64-unknown-elf-gcc
CFLAGS = -nostdlib -fno-builtin -mcmodel=medany -march=rv32ima -mabi=ilp32
QEMU = qemu-system-riscv32
QFLAGS = -nographic -smp 4 -machine virt -bios none
OBJDUMP = riscv64-unknown-elf-objdump
all: os.elf
os.elf: start.s os.c
$(CC) $(CFLAGS) -T os.ld -o os.elf $^
qemu: $(TARGET)
@qemu-system-riscv32 -M ? | grep virt >/dev/null || exit
@echo "Press Ctrl-A and then X to exit QEMU"
$(QEMU) $(QFLAGS) -kernel os.elf
clean:
rm -f *.elf
这里没什么好讲的,绝大多数选项都用不到,唯一要注意的是-march的值
riscv是一种模块化的指令集,不同的名字代表支持的扩展指令集不同,关于详情参考
RISC-V#ISA_base_and_extensions
之后直接通过make命令编译出elf之后通过qemu启动就好
https://github.com/cccriscv/mini-riscv-os