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ROSR 学习笔记 - 第1章

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ROSR 是『RISC-V OS using Rust』的缩写，是由 Stephen Marz 在他的系列博客中提供的操作系统开发教程。

本章描述使用汇编语言编写引导程序为 Rust 语言创建执行环境。

基本思路

  1. 将源码编译出目标文件
  2. 使用 linker script 通过链接器将目标文件链接成 ELF 文件
  3. QEMU 使用 ELF 文件启动
  4. QEMU 根据 ELF 文件指定的内存地址将代码段、数据段等放置到内存中相应的位置
  5. QEMU 模拟器开始执行程序

QEMU 内存映射

查看 qemu/hw/riscv/virt.c 文件可知：

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static const MemMapEntry virt_memmap[] = {
    // ...
    [VIRT_DRAM] =         { 0x80000000,           0x0 },
};

QEMU 从内存地址 0x80000000 开始执行程序，所以我们需要把代码链接到此地址上，这一点从第0章的 linker script 也能看出。

启动并执行 Rust 程序

分为 3 个步骤：

  1. 选择用于启动的 CPU （一般选择 id 为 #0 的）
  2. 初始化 BSS 段为 0
  3. 跳转 Rust

选择启动 CPU

选择一个 CPU 来执行启动流程，原因在于在这个阶段我们并不想去处理并发或者资源竞争等问题。通过 RISC-V 特权级规范手册 的 3.1.5 节可知，我们能使用 mhartid 寄存器来确定当前指令正在被哪个 CPU 执行。

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	csrr	t0, mhartid
	bnez	t0, 3f

3:
	wfi
	j	3b

这段代码让 id#0 之外的 CPU 都跳转到 wfi（等待中断） 指令处。

初始化 BSS 段

确定好由哪个 CPU 执行启动流程后，就需要使用它将 BSS 段初始化清零：

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	la        a0, _bss_start
	la        a1, _bss_end
	bgeu      a0, a1, 2f
1:
	sd        zero, (a0)
	addi      a0, a0, 8
	bltu      a0, a1, 1b

其中标号 _bss_start 以及 _bss_end 由 linker script 确定。

跳转 Rust

在跳转执行 Rust 代码前我们必须为 Rust 准备执行环境，也就是设置好栈指针（SP）以及异常程序计数器（mepc）然后利用中断返回（mret）让 CPU 跳转到主函数入口（kmain）。

但是此时的 CPU 并没有被中断，要使用中断返回就必须模拟一个中断的场景使得 mret 指令能够正确执行。

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la        sp, _stack
li        t0, (0b11 << 11) | (1 << 7) | (1 << 3)
csrw      mstatus, t0
la        t1, kmain
csrw      mepc, t1
la        t2, asm_trap_vector
csrw      mtvec, t2
li        t3, (1 << 3) | (1 << 7) | (1 << 11)
csrw      mie, t3

上面这段代码中的第1行就是设置 SP 寄存器，同样 _statck 符号由 linker script 提供。

第2、3行将 mstatus 寄存器的 MIE、MPIE、MPP 位分别置 b'1、b'1 以及 b'11，使得 mret 执行后 MIE 为 b'1，MPIE 为 b'1，MPP 为 b'00，并且 CPU 处于 M 态。

第4、5行将 Rust 程序的入口写入 mepc 寄存器，当 mret 执行后 CPU 就会跳转到此处。

第6、7行设置陷阱向量基地址，暂时不用关心。

第8、9行开启软中断、时钟中断、外部中断。

Rust Code

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// Steve Operating System
// Stephen Marz
// 21 Sep 2019
#![no_std]
#![feature(panic_info_message)]

use core::arch::asm;

// ///////////////////////////////////
// / RUST MACROS
// ///////////////////////////////////
#[macro_export]
macro_rules! print {
    ($($args:tt)+) => {{}};
}
#[macro_export]
macro_rules! println
{
	() => ({
		print!("\r\n")
	});
	($fmt:expr) => ({
		print!(concat!($fmt, "\r\n"))
	});
	($fmt:expr, $($args:tt)+) => ({
		print!(concat!($fmt, "\r\n"), $($args)+)
	});
}

// ///////////////////////////////////
// / LANGUAGE STRUCTURES / FUNCTIONS
// ///////////////////////////////////
#[no_mangle]
extern "C" fn eh_personality() {}
#[panic_handler]
fn panic(info: &core::panic::PanicInfo) -> ! {
    print!("Aborting: ");
    if let Some(p) = info.location() {
        println!(
            "line {}, file {}: {}",
            p.line(),
            p.file(),
            info.message().unwrap()
        );
    } else {
        println!("no information available.");
    }
    abort();
}
#[no_mangle]
extern "C" fn abort() -> ! {
    loop {
        unsafe {
            // The asm! syntax has changed in Rust.
            // For the old, you can use llvm_asm!, but the
            // new syntax kicks ass--when we actually get to use it.
            asm!("wfi");
        }
    }
}

#[no_mangle]
extern "C" fn kmain() {
    // Main should initialize all sub-systems and get
    // ready to start scheduling. The last thing this
    // should do is start the timer.
}

这里的代码和作者原先的代码有如下差异：

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< #![feature(panic_info_message,asm)]
---
> #![feature(panic_info_message)]
>
> use core::arch::asm;

大概因为目前的 Rust 编译器以及提供了对 asm 稳定支持。

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