Lab 0: Booting

负责助教：孙一

本学期，我们将实现一个简单的操作系统内核。在 Lab 0 中，我们将配置好实验环境并完成 3 个实验任务。

1. 服务器操作

连接服务器

ssh root@10.176.34.210 -p 你的端口号

考虑到项目文件数目较多，我们推荐使用 VS Code 的 Remote 插件 进行远程开发。

服务器概况

容器内有两个特殊的目录（挂载点）：

  • /share 目录只读，供所有同学共享，其中放置一些共享文件。

  • ~/data 目录可读写，挂载了一块4.4T的硬盘，建议在该目录下存储实验所用到的文件。

CPU、内存和硬盘资源所有同学共享，无使用配额，请注意合理使用资源。

2. 配置代码仓库

在服务器上生成 SSH 密钥对

# 在终端输入，替换自己的邮箱地址
ssh-keygen -t rsa -b 4096 -C "your_email@example.com" 
​
# 按照提示连续按三次回车，即可生成ssh密钥
cat ~/.ssh/id_rsa.pub
# 观察到输出为：ssh-rsa xxxxxxxxxxxxxxx = xxxxx@xxxx.xx 即正确

在 Github 上配置 SSH 公钥

  1. 复制 cat ~/.ssh/id_rsa.pub 输出的结果（即公钥）。

  2. 打开 Github 并登录自己的账号。

  3. 点击右上角头像，进入 Settings ：

  1. 进入页面后，在左侧选择 SSH and GPG keys, 在右侧点击 New SSH Key。

  1. 在框中粘贴入自己复制的公钥，点击 Add SSH key 即可。

使用 SSH 克隆仓库

cd ~/data
​
# SSH克隆代码仓库（HTTPS克隆不稳定）
git clone git@github.com:FDUCSLG/OS-24Fall-FDU.git

如果出现报错：（成功克隆则进入下一步）

Cloning into 'OS-24Fall-FDU'...
git@github.com: Permission denied (publickey).
fatal: Could not read from remote repository.
​
Please make sure you have the correct access rights
and the repository exists.

请检查前两步：在服务器上生成 SSH 和在 Github 上配置 SSH 是否正确完成。

进入仓库，开始实验

cd OS-24Fall-FDU
​
# 切换到本实验分支
git checkout lab0
​
# 新建一个dev分支
git checkout -b lab0-dev
​
# 创建build目录用来构建运行内核
mkdir -p build
cd build
cmake ..

之后每次构建运行内核只要在 build 目录下 cmake .. && make qemu 。

更新代码仓库

本次实验中无需执行此部分，后续新实验发布后可参考此处更新代码仓库。

# 拉取远端仓库
git fetch --all

# 提交你的更改
git add .
git commit -m "your commit message"

# 切换到新lab的分支
git checkout lab2

# 新建一个分支，用于开发
git checkout -b lab2-dev

# 引入你在上个lab的更改
git merge lab1-dev

如果合并发生冲突，请参考错误信息自行解决。

3. QEMU

本学期的实验将在 QEMU 模拟的 virt 通用虚拟平台 上运行我们编写的内核。我们已经为大家配置好了 QEMU，运行内核只需在 build 目录下输入 make qemu 。

QEMU 命令解析（不要求掌握）

本学期实验所用的 QEMU 命令如下：

qemu-system-aarch64 -machine virt,gic-version=3 \
    -cpu cortex-a72 \
    -smp 4 \
    -m 4096 \
    -nographic \
    -monitor none \
    -serial mon:stdio \
    -global virtio-mmio.force-legacy=false \
    -kernel kernel8.elf\

  • -machine virt,gic-version=3 指定模拟的机器类型为 virt（QEMU 中用于模拟虚拟的 ARM 系统的标准平台）。 gic-version=3 指定要使用的全局中断控制器 (GIC) 的版本为 3，用于支持更现代的中断处理功能。

  • -cpu cortex-a72 指定模拟的 CPU 类型为 Cortex-A72（一款高性能的 ARMv8 处理器）。

  • -smp 4 表示要模拟 4 个 CPU 核心（即 4 个对称多处理单元），后续我们的实验将涉及 SMP 的内容。

  • -nographic 配置 QEMU 运行在无图形输出模式下，即所有的输入输出都通过命令行界面进行，而不是通过 GUI 窗口。

  • -monitor none 禁用 QEMU 的监控控制台（QEMU monitor），避免了干扰正常的输出流。

  • -serial mon:stdio 将虚拟机的串行端口绑定到标准输入输出（stdio），这意味着虚拟机的输出会显示在当前的终端窗口中，输入也来自终端。

  • -global virtio-mmio.force-legacy=false 配置 QEMU 中的 VirtIO 设备（VirtIO 是一种用于加速虚拟化设备的标准）。virtio-mmio.force-legacy=false 禁用 VirtIO MMIO 设备的传统模式，确保这些设备使用现代化的接口。

  • -kernel kernel8.elf 指定要加载的内核镜像文件 kernel8.elf。QEMU 会在虚拟机中启动这个内核，模拟其运行环境。

qemu 的退出方法为： Ctrl+A，松开后按 x。

4. AArch64

AArch64 等价于 ARMv8 的 64 位指令集。

本学期的教学 OS 将运行在 AArch64 架构下。

绝大多数代码都使用 C 语言完成，部分代码需要使用汇编语言编写，建议简要了解（当然暂时用不到）：

5. 操作系统

本课程的先修课程包括但不限于 COMP120006 程序设计，COMP130201计算机系统基础，COMP130191 计算机组成与体系结构。

  • COMP120006 程序设计中，我们学习了用 C 语言编写用户态程序。用户态这一概念是相较于操作系统的内核态而言的，本课程实验的重心即为内核态编程。在后续的实验中，我们将逐步理解（1）用户态/内核态的定义；（2）划分用户态/内核态的意义；（3）用户态与内核态的交互等问题。

  • COMP130201 计算机系统基础与 COMP130191 计算机组成与体系结构中，我们初步认识了计算机系统中的各类硬件组成，如 CPU，内存，缓存，外设等等。操作系统内核的作用在于管理并虚拟化（或者说抽象）这些资源 [1]。在后续的实验中，我们将逐步理解虚拟化这一概念。

  • 除此以外，一系列软件开发实践中的重要问题，如并发和持久化，也将由操作系统中的特定的机制或策略解决。

换而言之，操作系统是「硬件资源」与「用户态程序」的中间层，负责管理用户态程序对于硬件资源的访问（随着学习的深入，我们将对这一命题做出补充）。

6. Booting

在 build 目录中执行 make qemu 后，构建系统将自动编译操作系统内核并启动 QEMU 运行内核。下面我们将介绍本实验操作系统内核的启动流程。

入口：梦开始的地方

我们通过链接器脚本（请见第7节）指定内核的入口为 _start (src/start.S:28) 函数。

为什么入口函数不是 main 函数？

在学习用户态 C 语言编程时，我们认为 main 函数是程序的入口。然而，这一说法省略了编译层面的一些重要细节，编译器会在 main 函数插入一系列初始化代码，因而 main 函数不是函数严格意义上的入口（相关背景知识请自行回顾 COMP130201 计算机系统基础）。同样，尽管我们的内核定义了 main 函数，我们仍需要将入口设为 _start 函数并完成一些必要的准备动作。

目前，我们无需深究 _start 函数中的细节，具体内容我们会在合适的时机提供解读文档。

main：内核，启动！

_start 函数最终会跳转到 main 函数。在 main 函数中，我们将完成内核的初始化工作。至此，我们已经成功启动了我们的内核。

目前，main 函数中的主要内容是一个分支判断，其作用是区分 CPU 0 和其余核心的初始化逻辑。下面我们具体介绍之。

对称多处理器（SMP）

现代计算机广泛采用多处理器架构，感兴趣的同学可以通过 lscpu 命令查看我们服务器的处理器信息。同样地，我们的内核运行在 QEMU 虚拟出来的 4 核机器上。这 4 个核心可以并发（或者说并行，在这里我们暂不严格区分这两个概念）地执行不同的指令流。

注意：以下内容可能理解难度较高，因此为了完成实验任务，请着重注意加粗字体。此外，欢迎在 Github Issues 区提出问题。随着本课程实验的进行，同学们将逐步加深对这些问题的理解。

在我们的实验平台上，机器启动时仅有一个核（CPU 0）处于唤醒状态。作为唯一一个唤醒的核心，其主要负责：

  • 内核相关服务的初始化，例如 uart_init 用于初始化通信串口，UART 可用于输出数据，前面我们提到串行端口被绑定到了标准输入输出，也就是说 uart_* 函数类似于过去所学的 putchar 等标准输入输出函数（相关函数请见src/driver/uart.c）。prink_init 则用于初始化 printk 服务，printk 更加类似于用户态编程中 printf，语法与效果也基本一致。

  • 唤醒其他核心，即 smp_init。

main 函数中的分支判断用于：

  • CPU 0 启动核心，并完成一系列初始化动作，最后放行其他核心。

  • 其余核心被 CPU 0 唤醒后，等待 CPU 0 完成初始化动作并放行。

任务 1

CPU 0 完成内核服务初始化后，打印 "Hello, world! (Core 0)" （提示：上面介绍了如何打印字符串）。

任务 2

其余 CPU 被放行后，各自打印 "Hello, world! (Core <cpuid>)" （提示：上面介绍了如何打印字符串）。

预期输出（后面三行的顺序可变）

Hello, world! (Core 0)
Hello, world! (Core 2)
Hello, world! (Core 3)
Hello, world! (Core 1)

7. 链接器脚本

链接器脚本位于 src/linker.ld。

我们执行 make qemu 编译内核并启动QEMU，编译内核得到的产物是一个 ELF 文件。此 ELF 文件同我们之前用户态程序的 ELF 文件一样，具有 text，rodata，bss 等段，而链接器脚本规定了这些段在内存中的位置。

复习

如果对 ELF 文件的结构及上述 text，rodata，bss 等段的性质不熟悉，请复习 COMP130201 计算机系统基础所学相关内容。

此外，链接器脚本还暴露了一系列符号，用于描述内存地址。举例如下：

PROVIDE(data = .);
.data : AT(ADDR(.data) - 0xFFFF000000000000) {
	*(.data)
	*(.data.*)
}
PROVIDE(edata = .);

这一段链接器脚本的含义是：

  • 暴露一个 data 符号，标识当前地址（.），即此时内存布局中 .data 段的起始地址。

  • 定义一个 .data 段，其中包含所有 .data 和以 .data. 开头的子段。这个段放置在内存中的特定位置，并且其起始地址由 AT 子句指定。 AT 子句的含义暂不要求掌握。

  • 在 .data 段的内容被分配后，再暴露一个 edata 符号，标识 .data 段结束时的地址。

也就是说，data 标志了 data 段 的开始，edata 标志了 data 段 的结束。 在 main 函数中，我们可以通过以下方式获得 data 和 edata 的地址：

extern char data[], edata[];
printf("data is %p; edata is %p", (void*)data, (void*)edata);

任务 3

按照惯例 BSS 段应当置零（为什么？请复习 COMP130201 计算机系统基础或咨询助教）。然而，当操作系统内核被装载到内存中时，BSS 段对应的内存无法保证是置零状态（因为很多时候没有比操作系统更高一级的有关方面来负责“打扫”内存，此时操作系统内核本身就是内存的管理者）。因此，请在CPU 0 进行内核初始化前增加清零 BSS 段的逻辑。

提示 1: 清零 BSS 段首先需要获取 BSS 段起始和终止的地址，上面已经演示了如何获取某段的起始和终止地址。

提示 2: 查找 memset 函数，使用此函数清零一段连续的内存空间。

8. 提交

提交方式：将实验报告提交到 elearning 上，格式为学号-lab0.pdf。本次实验中，报告不计分。

截止时间： 9 月 13 日 23:59。逾期提交将扣除部分分数。

报告中可以包括下面内容

  • 代码运行效果展示

  • 实现思路和创新点

  • 对后续实验的建议

  • 其他任何你想写的内容

参考资料

  1. Arpaci-Dusseau, R. H., & Arpaci-Dusseau, A. C. (2018). Operating systems: Three easy pieces.

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