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.. _term-print-kernelminienv:
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构建裸机执行环境
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.. toctree::
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:hidden:
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:maxdepth: 5
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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。
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本节中，我们将把 ``Hello world!`` 应用程序从用户态搬到内核态。
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裸机启动过程
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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：
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.. code-block:: bash
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qemu-system-riscv64 \
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-machine virt \
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-nographic \
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-bios $(BOOTLOADER) \
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-device loader,file=$(KERNEL_BIN),addr=$(KERNEL_ENTRY_PA)
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- ``-bios $(BOOTLOADER)`` 意味着硬件加载了一个 BootLoader 程序，即 RustSBI
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- ``-device loader,file=$(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`` 。
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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。
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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，
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它会很快跳转到 ``0x80000000`` 的 RustSBI 处。
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RustSBI完成硬件初始化后，会跳转到 ``$(KERNEL_BIN)`` 所在内存位置 ``0x80200000`` 处，
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执行操作系统的第一条指令。
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.. figure:: chap1-intro.png
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:align: center
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.. note::
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**RustSBI 是什么？**
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SBI 是 RISC-V 的一种底层规范，RustSBI 是它的一种实现。
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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，
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比如关机，显示字符串等。
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实现关机功能
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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：
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.. _term-llvm-sbicall:
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.. code-block:: rust
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// 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
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// os/src/sbi.rs
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fn sbi_call(which: usize, arg0: usize, arg1: usize, arg2: usize) -> usize {
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let mut ret;
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unsafe {
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core::arch::asm!(
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"ecall",
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...
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const SBI_SHUTDOWN: usize = 8;
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pub fn shutdown() -> ! {
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sbi_call(SBI_SHUTDOWN, 0, 0, 0);
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panic!("It should shutdown!");
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}
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// os/src/main.rs
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#[no_mangle]
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extern "C" fn _start() {
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shutdown();
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}
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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
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RustSBI提供的SBI调用的指令也是 ``ecall`` ，
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虽然指令一样，但它们所在的特权级是不一样的。
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简单地说，应用程序位于最弱的用户特权级（User Mode），
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操作系统位于内核特权级（Supervisor Mode），
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RustSBI位于机器特权级（Machine Mode）。
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下一章会进一步阐释具体细节。
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编译执行，结果如下：
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.. code-block:: bash
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# 编译生成ELF格式的执行文件
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$ cargo build --release
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Compiling os v0.1.0 (/media/chyyuu/ca8c7ba6-51b7-41fc-8430-e29e31e5328f/thecode/rust/os_kernel_lab/os)
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Finished release [optimized] target(s) in 0.15s
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# 把ELF执行文件转成bianary文件
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$ rust-objcopy --binary-architecture=riscv64 target/riscv64gc-unknown-none-elf/release/os --strip-all -O binary target/riscv64gc-unknown-none-elf/release/os.bin
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# 加载运行
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$ qemu-system-riscv64 -machine virt -nographic -bios ../bootloader/rustsbi-qemu.bin -device loader,file=target/riscv64gc-unknown-none-elf/release/os.bin,addr=0x80200000
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# 无法退出，风扇狂转，感觉碰到死循环
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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
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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。
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设置正确的程序内存布局
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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。
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修改 Cargo 的配置文件来使用我们自己的链接脚本 ``os/src/linker.ld``：
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.. code-block::
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:linenos:
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:emphasize-lines: 5,6,7,8
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// os/.cargo/config
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[build]
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target = "riscv64gc-unknown-none-elf"
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[target.riscv64gc-unknown-none-elf]
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rustflags = [
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"-Clink-arg=-Tsrc/linker.ld", "-Cforce-frame-pointers=yes"
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]
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具体的链接脚本 ``os/src/linker.ld`` 如下：
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.. code-block::
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:linenos:
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OUTPUT_ARCH(riscv)
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ENTRY(_start)
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BASE_ADDRESS = 0x80200000;
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SECTIONS
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{
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. = BASE_ADDRESS;
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skernel = .;
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stext = .;
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.text : {
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*(.text.entry)
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*(.text .text.*)
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}
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||
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. = ALIGN(4K);
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etext = .;
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||
srodata = .;
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.rodata : {
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||
*(.rodata .rodata.*)
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||
}
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||
|
||
. = ALIGN(4K);
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||
erodata = .;
|
||
sdata = .;
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.data : {
|
||
*(.data .data.*)
|
||
}
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||
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||
. = ALIGN(4K);
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||
edata = .;
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.bss : {
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*(.bss.stack)
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sbss = .;
|
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*(.bss .bss.*)
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}
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. = ALIGN(4K);
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ebss = .;
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ekernel = .;
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/DISCARD/ : {
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*(.eh_frame)
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}
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}
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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``；
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第 3 行定义了一个常量 ``BASE_ADDRESS`` 为 ``0x80200000`` ，RustSBI 期望的 OS 起始地址；
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.. attention::
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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。
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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，
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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`` ）。
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正确配置栈空间布局
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用另一段汇编代码初始化栈空间：
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.. code-block:: asm
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:linenos:
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# os/src/entry.asm
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.section .text.entry
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.globl _start
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_start:
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la sp, boot_stack_top
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call rust_main
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.section .bss.stack
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.globl boot_stack
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boot_stack:
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.space 4096 * 16
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.globl boot_stack_top
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boot_stack_top:
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在第 8 行，我们预留了一块大小为 4096 * 16 字节，也就是 :math:`64\text{KiB}` 的空间，
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用作操作系统的栈空间。
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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。
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同时，这块栈空间被命名为
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``.bss.stack`` ，链接脚本里有它的位置。
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``_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。
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``la sp, boot_stack_top`` 作为 OS 的第一条指令，
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将 sp 设置为栈空间的栈顶。
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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。
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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。
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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`` ：
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.. code-block:: rust
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:linenos:
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:emphasize-lines: 7,9,10,11,12
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// os/src/main.rs
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#![no_std]
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#![no_main]
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mod lang_items;
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core::arch::global_asm!(include_str!("entry.asm"));
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#[no_mangle]
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pub fn rust_main() -> ! {
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shutdown();
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}
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背景高亮指出了 ``main.rs`` 中新增的代码。
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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。
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从第 9 行开始，
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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``
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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，
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``entry.asm`` 将找不到 ``main.rs`` 提供的外部符号 ``rust_main``，导致链接失败。
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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！
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.. code-block:: console
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# 教程使用的 RustSBI 版本比代码框架稍旧，输出有所不同
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$ qemu-system-riscv64 \
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> -machine virt \
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> -nographic \
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> -bios ../bootloader/rustsbi-qemu.bin \
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||
> -device loader,file=target/riscv64gc-unknown-none-elf/release/os.bin,addr=0x80200000
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||
[rustsbi] Version 0.1.0
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.______ __ __ _______.___________. _______..______ __
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| _ \ | | | | / | | / || _ \ | |
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| |_) | | | | | | (----`---| |----`| (----`| |_) || |
|
||
| / | | | | \ \ | | \ \ | _ < | |
|
||
| |\ \----.| `--' |.----) | | | .----) | | |_) || |
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| _| `._____| \______/ |_______/ |__| |_______/ |______/ |__|
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[rustsbi] Platform: QEMU
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[rustsbi] misa: RV64ACDFIMSU
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[rustsbi] mideleg: 0x222
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[rustsbi] medeleg: 0xb1ab
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[rustsbi] Kernel entry: 0x80200000
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清空 .bss 段
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----------------------------------
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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。
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.. code-block:: rust
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:linenos:
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// os/src/main.rs
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fn clear_bss() {
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extern "C" {
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fn sbss();
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fn ebss();
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}
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(sbss as usize..ebss as usize).for_each(|a| {
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unsafe { (a as *mut u8).write_volatile(0) }
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});
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||
}
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pub fn rust_main() -> ! {
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||
clear_bss();
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||
shutdown();
|
||
}
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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。
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添加裸机打印相关函数
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----------------------------------
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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。
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详见 ``os/src/console.rs``。
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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。
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相关代码位于 ``os/src/lang_items.rs`` 中。
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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。
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.. note::
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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。
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现在，让我们重复一遍本章开头的试验，``make run LOG=TRACE``！
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.. figure:: color-demo.png
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:align: center
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产生 panic 的地点与源码中的实际位置一致！至此，我们完成了第一章的实验内容，
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.. note::
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背景知识：`理解应用程序和执行环境 <https://rcore-os.github.io/rCore-Tutorial-Book-v3/chapter1/4understand-prog.html>`_ |