1. 簡(jiǎn)介

rCore教程旨在一步一步展示如何從零開(kāi)始用Rust語(yǔ)言寫(xiě)一個(gè)基于RISC-V架構(gòu)的類 Unix 內(nèi)核。值得注意的是， 本項(xiàng)目不僅支持模擬器環(huán)境（如Qemu/terminus 等），還支持在真實(shí)硬件平臺(tái) Kendryte K210 上運(yùn)行。

1.1 為什么要學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)？

一名程序員的絕大部分工作都是在操作系統(tǒng)上面進(jìn)行的。學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)，深入了解操作系統(tǒng)原理，是每個(gè)合格的程序員必須要經(jīng)歷的。很多人學(xué)習(xí) Rust 語(yǔ)言感到很吃力，基本上就是因?yàn)椴僮飨到y(tǒng)基礎(chǔ)知識(shí)薄弱造成的。通過(guò)自己實(shí)現(xiàn)一個(gè)操作系統(tǒng)，可以讓你對(duì)操作系統(tǒng)的理解不僅僅是停留在概念上。而且用 Rust 實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)，對(duì)于 Rust 愛(ài)好者來(lái)說(shuō)，更有意思。---上面應(yīng)該是Rust大牛張漢東說(shuō)的。

學(xué)習(xí)OS只是想更加了解Linux對(duì)當(dāng)前工作輔助，可以參考我之前的一個(gè)文章介紹Linux 0.11的：os內(nèi)核入門-linux0.11編譯介紹。相對(duì)來(lái)說(shuō)rCore更加學(xué)術(shù)前沿一些，關(guān)于學(xué)術(shù)和一個(gè)公司商用的技術(shù)，可能大家會(huì)有很多誤解，一般在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域科研可能領(lǐng)先應(yīng)用50年左右，計(jì)算機(jī)領(lǐng)域也可能領(lǐng)先15年左右。舉個(gè)例子之前介紹的seL4微內(nèi)核是一個(gè)學(xué)術(shù)性很先進(jìn)的OS，十幾年前開(kāi)發(fā)出來(lái)的，現(xiàn)在還沒(méi)大規(guī)模應(yīng)用。

1.2 目前常見(jiàn)的操作系統(tǒng)內(nèi)核都是基于 C 語(yǔ)言的，為何要推薦 Rust 語(yǔ)言？

事實(shí)上，C 語(yǔ)言就是為寫(xiě) UNIX 而誕生的。Dennis Ritchie 和 KenThompson 沒(méi)有期望設(shè)計(jì)一種新語(yǔ)言能幫助高效地開(kāi)發(fā)復(fù)雜與并發(fā)的操作系統(tǒng)邏輯(面向未來(lái))，而是希望用一種簡(jiǎn)潔的方式來(lái)代替難以使用的匯編語(yǔ)言抽象出計(jì)算機(jī)的行為，便于編寫(xiě)控制計(jì)算機(jī)硬件的操作系統(tǒng)（符合當(dāng)時(shí)實(shí)際情況）。

C 語(yǔ)言的指針既是天使又是魔鬼。它靈活且易于使用，但語(yǔ)言本身幾乎不保證安全性，且缺少有效的并發(fā)支持。這導(dǎo)致內(nèi)存和并發(fā)漏洞成為當(dāng)前基于 C 語(yǔ)言的主流操作系統(tǒng)的噩夢(mèng)。

Rust 語(yǔ)言具有與 C 一樣的硬件控制能力，且大大強(qiáng)化了安全編程和抽象編程能力。從某種角度上看，新出現(xiàn)的 Rust 語(yǔ)言的核心目標(biāo)是解決 C 的短板，取代 C 。所以用 Rust 寫(xiě) OS 具有很好的開(kāi)發(fā)和運(yùn)行體驗(yàn)。

用 Rust寫(xiě) OS 的代價(jià)僅僅是學(xué)會(huì)用 Rust 編程。

----上面摘自書(shū)中描述，下面講點(diǎn)我對(duì)Rust的理解。

計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展還算比較快，在這個(gè)過(guò)程中軟件技術(shù)一直在更新，有的是因?yàn)橐m應(yīng)硬件，有的是要適應(yīng)人類的需求，涌現(xiàn)出了大批的技術(shù)，最常見(jiàn)的是我們的桌面OS，還有很多桌面應(yīng)用，這些大多是面向?qū)ο蟮?a href="http://www.asorrir.com/tags/C++/" target="_blank">C++、Java、Object-c實(shí)現(xiàn)的，還有一些嵌入式設(shè)備，沒(méi)有界面的，大部分用c語(yǔ)言這種面向過(guò)程的語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)；網(wǎng)址網(wǎng)頁(yè)的應(yīng)用更多用一些腳本語(yǔ)言，例如php js python去實(shí)現(xiàn)；還有一些人工智能的應(yīng)用可能用一些偏向算法的語(yǔ)言，例如matlab去實(shí)現(xiàn)；一些服務(wù)器上運(yùn)行的程序可能需要并發(fā)支持強(qiáng)的Go語(yǔ)言去實(shí)現(xiàn)，也適應(yīng)多核CPU的硬件設(shè)計(jì)理念。這么多語(yǔ)言，就像一個(gè)江湖，里面有很多門派，如果要新搞一個(gè)門派，那一定需要博采眾長(zhǎng)，成為一代宗師，厚積薄發(fā)才可以。

舉個(gè)游戲的例子，什么樣的游戲能受大眾的歡迎，“王者榮耀”可以說(shuō)是老少皆宜，其又可以追溯到Dota，Dota可以說(shuō)創(chuàng)造了此類玩法的流派，當(dāng)年Dota的發(fā)展就是一個(gè)很好的例子，首先用戶主導(dǎo)，用戶給iceforge提需求想玩什么樣的角色，想玩什么的場(chǎng)景，然后不斷的更新英雄和地圖，英雄分三類：法師、力量型、敏捷型，基本涵蓋了玩游戲需求的場(chǎng)景，你是什么樣的性格就能找到自己對(duì)應(yīng)的玩法，如上圖中。可以說(shuō)Dota也是游戲領(lǐng)域的集大成者了。換個(gè)說(shuō)法就是“精益求精、持續(xù)改進(jìn)”。

所以現(xiàn)代的編程語(yǔ)言是一個(gè)可以一直演變的，今天新加了這個(gè)特性，明天又新加另外一個(gè)特性，才能保持活力，而古老的語(yǔ)言可能很久都不更新，也可能歷史的包袱太沉重，例如考慮兼容性和語(yǔ)言特長(zhǎng)已無(wú)法再進(jìn)行修改了。采眾之所長(zhǎng)，可以說(shuō)是我對(duì)Rust的一大感觸，首先底座基于C/C++，加入面向?qū)ο蟮乃枷耄_本語(yǔ)言的思想，并發(fā)、安全等思想，可以說(shuō)是更高級(jí)的語(yǔ)言，包含了很多計(jì)算機(jī)技術(shù)的落地，所以對(duì)新手不友好，建議是多學(xué)幾門語(yǔ)言再學(xué)習(xí)Rust，就知道其好處了。缺點(diǎn)肯定也有，好的東西不是越多越好，可能會(huì)相互沖突，并且會(huì)造成不穩(wěn)定因素，更重要的是其弱小的時(shí)候得不到充分的驗(yàn)證，有點(diǎn)像學(xué)術(shù)性的東西，大家也多抱觀望態(tài)度。就像上圖中畫(huà)的Rust吉祥物，一個(gè)大螃蟹：想橫著走，但是還需要第一個(gè)愿意吃螃蟹的人。

關(guān)于Rust的名字的來(lái)源：

rust直譯過(guò)來(lái)是一類真菌(中文中叫植物銹病的不少都是這類真菌造成的，如上圖中)，關(guān)于Rust的由來(lái)有很多說(shuō)法：

直接因素是Mozilla公司和Chrome是對(duì)頭，chrome是鉻金屬，那么就需要Rust去腐蝕。

我更喜歡的解釋是：

這類真菌生物結(jié)構(gòu)上沒(méi)有一個(gè)中心點(diǎn),而是完全分布式的.是空間上無(wú)單點(diǎn)失敗的(想象下人類腦袋心臟隨便哪塊掉),非常魯棒.

這類真菌的生命周期中有五種形態(tài)(像毛毛蟲(chóng)變蝴蝶這就是算有兩種形態(tài)),非常獨(dú)特,非常魯棒。有多獨(dú)特呢?筆者為了寫(xiě)這個(gè)答案,苦搜wiki,發(fā)現(xiàn)查出來(lái)的這五種形態(tài) Pycniospore, Aecium ,Urediniospore , Telium ,Basidium 中間三種都是這類真菌獨(dú)有的.

有多魯棒呢?作為真菌,五種生物形態(tài)下的rust中的2,3,5形態(tài)甚至還能往前倒退到之前的形態(tài)(真正的回到娘胎重造),做到了避免時(shí)間上的單點(diǎn)失敗

有多種生物形態(tài),也是映射Rust多范式的特點(diǎn)吧

這類真菌在寄生的時(shí)候甚至可以是多宿主的,而且能在宿主間切換,也是映射Rust對(duì)語(yǔ)言間互操作性的重視(想想除了D基本沒(méi)語(yǔ)言能跟C++好好互操作,都只能操作C,大家只能依賴SWIG這種技術(shù)再人為定義接口才行).

這類真菌有一個(gè)特性叫Dikaryon, 用采訪中說(shuō)的比喻就是類似當(dāng)想夫妻兩想生孩子時(shí)候,可以同步并行得看看到底兩人的后代能有多少種組合,這種繁殖時(shí)候的并行性,是又雙叒叕一層的保證rust菌生存的魯棒性

1.3 目前常見(jiàn)的指令集架構(gòu)是 x86 和 ARM ，為何要推薦 RISC-V ？

目前為止最常見(jiàn)的指令集架構(gòu)是 x86 和 ARM ，它們已廣泛應(yīng)用在服務(wù)器、臺(tái)式機(jī)、移動(dòng)終端和很多嵌入式系統(tǒng)中。由于它們的通用性和向后兼容性需求，需要支持非常多（包括幾十年前實(shí)現(xiàn)）的軟件系統(tǒng)和應(yīng)用需求，導(dǎo)致這些指令集架構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜。

x86 后向兼容的策略確保了它在桌面和服務(wù)器領(lǐng)域的江湖地位，但導(dǎo)致其丟不掉很多已經(jīng)比較過(guò)時(shí)的硬件設(shè)計(jì)，讓操作系統(tǒng)通過(guò)冗余的代碼來(lái)適配各種新老硬件特征。

x86 和ARM 在商業(yè)上都很成功，其廣泛使用使得其 CPU 硬件邏輯越來(lái)越復(fù)雜，且不夠開(kāi)放，不能改變，不是開(kāi)源的，難以讓感興趣探索硬件的學(xué)生了解硬件細(xì)節(jié)，在某種程度上讓CPU成為了一個(gè)黑盒子，并使得操作系統(tǒng)與硬件的交互變得不那么透明，增加了學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)。

從某種角度上看，新出現(xiàn)的 RISC-V 的核心目標(biāo)是靈活適應(yīng)未來(lái)的AIoT（人工智能物聯(lián)網(wǎng), AI + IoT）場(chǎng)景，保證基本功能，提供可配置的擴(kuò)展功能。其開(kāi)源特征使得學(xué)生都可以深入CPU的運(yùn)行細(xì)節(jié)，甚至可以方便地設(shè)計(jì)一個(gè) RISC-VCPU。從而可幫助學(xué)生深入了解操作系統(tǒng)與硬件的協(xié)同執(zhí)行過(guò)程。

編寫(xiě)面向 RISC-V 的 OS 的硬件學(xué)習(xí)代價(jià)僅僅是你了解 RISC-V 的 Supervisor特權(quán)模式，知道 OS 在 Supervisor 特權(quán)模式下的控制能力。

---上面還是書(shū)中的解釋，下面介紹點(diǎn)RISC-V的由來(lái)。

“芯片”是我國(guó)一個(gè)更大的痛點(diǎn)，拋開(kāi)制造被美國(guó)各種卡脖子，在軟件指令集授權(quán)方面也是被交智商稅。你會(huì)說(shuō)我們很多公司都會(huì)設(shè)計(jì)芯片，例如華為的麒麟芯片，或者國(guó)內(nèi)大部分廠商都自己造了芯片，這只是表象，核心是基本都買的ARM的授權(quán)，然后自己再改改。

先介紹下ARM，ARM指令集也是RISC精簡(jiǎn)指令集，目前已經(jīng)占領(lǐng)了大部分芯片市場(chǎng)。但是其商業(yè)模式是賣芯片設(shè)計(jì)的，授權(quán)費(fèi)相當(dāng)?shù)陌嘿F，有時(shí)要上千萬(wàn)美元，大企業(yè)還可以買，小公司就不行了，可以說(shuō)“天下苦ARM久已”。

美國(guó)的高校想用也要付費(fèi)，RISC指令集的創(chuàng)始人加州大學(xué)伯克利分校的David Patterson教授自己想用都不行。2010年，加州大學(xué)伯克利分校的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)正在準(zhǔn)備啟動(dòng)一個(gè)新項(xiàng)目。在為新項(xiàng)目選擇指令集的時(shí)候，他們發(fā)現(xiàn)，x86指令集被Intel控制得死死的，ARM指令集的授權(quán)費(fèi)又非常貴，MIPS、SPARC、PowerPC也存在知識(shí)產(chǎn)權(quán)問(wèn)題。在牛人眼中，這么小兒科的東西還要收錢，直接新搞一個(gè)，并且使用BSDLicense開(kāi)源協(xié)議，硬件也開(kāi)源，沒(méi)錯(cuò)就是這么瘋狂，誰(shuí)想用誰(shuí)用，不用付費(fèi)，并且新一代的設(shè)計(jì)，吊打舊的技術(shù)。有點(diǎn)像Linus Torvalds當(dāng)年svn收費(fèi)還不好用直接開(kāi)發(fā)了一個(gè)git一樣。

RISC-V是因?yàn)槠淝伴_(kāi)發(fā)過(guò)四個(gè)版本，這是第五個(gè)版本。這么一個(gè)好東西，大家伙可以說(shuō)一擁而上，短短幾年的時(shí)間里，包括谷歌、華為、阿里、IBM、鎂光、英偉達(dá)、高通、三星、西部數(shù)據(jù)等商業(yè)公司，以及加州大學(xué)伯克利分校、麻省理工學(xué)院、普林斯頓大學(xué)、ETH Zurich、印度理工學(xué)院、洛倫茲國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、新加坡南洋理工大學(xué)以及中科院計(jì)算所等學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)，都紛紛加入RISC-V基金會(huì)。好處首先就是價(jià)格便宜，例如阿里的玄鐵開(kāi)發(fā)板不足百元，可以硬剛樹(shù)莓派幾百元的價(jià)格。真是學(xué)生都可以隨便買，真香系列如下圖：

RISC-V當(dāng)然作為新興的事物，也有缺點(diǎn)，跟上面說(shuō)的Rust一樣，在發(fā)展的初期弱小的時(shí)候得不到充分驗(yàn)證，一些缺點(diǎn)也被ARM抨擊，但是還是要多一些包容，其還在改進(jìn)發(fā)展之中。作為“攪局者”，已經(jīng)把大旗插好了，就看大家的熱情了。

有興趣可以參考：https://zhuanlan.zhihu.com/p/73089738

2.課程介紹和代碼下載編譯運(yùn)行

2.1課程介紹

本小節(jié)調(diào)一點(diǎn)課程里面，剛開(kāi)始就介紹很精彩的部分，大家感受下。

操作系統(tǒng)抽象：

在計(jì)算機(jī)和操作系統(tǒng)的技術(shù)研究和發(fā)展的過(guò)程中，形成了一系列的核心（抽象）概念：執(zhí)行環(huán)境、進(jìn)程、地址空間和文件，這些奠定了操作系統(tǒng)內(nèi)核設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。

CPU在執(zhí)行過(guò)程中，可以在不同層次的執(zhí)行環(huán)境之間切換，這稱為執(zhí)行環(huán)境切換。執(zhí)行環(huán)境切換主要是通過(guò)特定的API或ABI來(lái)完成的，這樣不同執(zhí)行環(huán)境的軟件就能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換與互操作，而且還保證了彼此之間有清晰的隔離。對(duì)于應(yīng)用程序的執(zhí)行環(huán)境而言，應(yīng)用程序只能看到執(zhí)行環(huán)境直接提供給它的接口（API 或 ABI），這使得應(yīng)用程序所能得到的服務(wù)取決于執(zhí)行環(huán)境提供給它的訪問(wèn)接口。所以，操作系統(tǒng)可以看成是應(yīng)用程序執(zhí)行環(huán)境，其形態(tài)可以是一個(gè)庫(kù)，也可以是一個(gè)虛擬機(jī)等，或者它們的某種組合形式。更清晰常見(jiàn)的形式如下圖：

應(yīng)用程序的內(nèi)存布局：

在上圖中可以看到，代碼部分只有代碼段.text一個(gè)段，存放程序的所有匯編代碼。而數(shù)據(jù)部分則還可以繼續(xù)細(xì)化：

已初始化數(shù)據(jù)段保存程序中那些已初始化的全局?jǐn)?shù)據(jù)，分為.rodata和.data兩部分。前者存放只讀的全局?jǐn)?shù)據(jù)，通常是一些常數(shù)或者是常量字符串等；而后者存放可修改的全局?jǐn)?shù)據(jù)。

未初始化數(shù)據(jù)段.bss保存程序中那些未初始化的全局?jǐn)?shù)據(jù)，通常由程序的加載者代為進(jìn)行零初始化，即將這塊區(qū)域逐字節(jié)清零；

堆（heap）區(qū)域用來(lái)存放程序運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)分配的數(shù)據(jù)，如 C/C++ 中的 malloc/new 分配到的數(shù)據(jù)本體就放在堆區(qū)域，它向高地址增長(zhǎng)；

棧（stack）區(qū)域不僅用作函數(shù)調(diào)用上下文的保存與恢復(fù)，每個(gè)函數(shù)作用域內(nèi)的局部變量也被編譯器放在它的棧幀內(nèi)，它向低地址增長(zhǎng)。

2.2 環(huán)境搭建和代碼下載運(yùn)行

環(huán)境搭建主要是安裝Rust和qemu，參考：

http://rcore-os.cn/rCore-Tutorial-Book-v3/chapter0/5setup-devel-env.html

代碼下載參考第一章的代碼：

git clone https://github.com/rcore-os/rCore-Tutorial-v3.git cd rCore-Tutorial-v3 gitcheckoutch1 cd os makerun

打印的RUSTSBI是這個(gè)系統(tǒng)的BootLoader，也是用Rust語(yǔ)言寫(xiě)的。

關(guān)于rCore系統(tǒng)整體的介紹，可以參考清華王潤(rùn)基同學(xué)的畢業(yè)論文：

https://raw.githubusercontent.com/wiki/rcore-os/zCore/files/wrj-thesis.pdf

后記：

rCore也算是一個(gè)承前啟后的學(xué)習(xí)OS，可以學(xué)習(xí)OS的基本技術(shù)，另外Rust和RISC-V屬于未來(lái)的前沿技術(shù)，未來(lái)的OS很可能以此為根基。有一點(diǎn)rCore是一個(gè)宏內(nèi)核，這點(diǎn)不是太新穎，但是清華直接給補(bǔ)上了，下一篇會(huì)介紹更新的zCore。

審核編輯 ：李倩