操作系统内核经历了几个主要的发展阶段,从裸机应用,批处理系统到多道任务系统,演变为至今主流的线程操作系统。这种系统基于线程的切换来调度任务;为了进一步提升性能,一些现代编程语言在应用层复用线程资源,提出了协程
的概念,旨在节省任务调度的开销。
在本项目中我们提出一种新的内核开发思路:由不同资源共享调度器,在操作系统层面提供协程。我们希望这种全新设计的内核在满足传统内核的易用性的同时,拥有着专有内核的高性能特点,“像风一样快”,因此取名飓风内核——tornado-os。
飓风内核中和传统内核最大的不同点就在于多任务的运行方式,在飓风内核中基于共享调度器来运行异步任务,伪代码呈现如下:
pub extern "C" fn kernel_main() {
// 内核的一些初始化过程
kernel::init();
// 共享调度器的基地址
let base = 0x8600_0000;
// 实例化共享调度器
let shared_scheduler = unsafe { task::SharedScheduler::load(base) };
// 创建一个[`Future`]
let future = MyFuture::new();
// 用future创建一个任务
let task = task::KernelTask::new(future);
// 往共享调度器里面添加任务
shared_scheduler.add_task(task);
// 内核异步运行时中的执行器执行任务
runtime::executor::run_until_idle();
}
如果您已经能够运行rCore-Tutorial,那么您的环境已经能满足编译飓风内核的要求,不需要再次安装构建工具,请直接开始下一步。
首先需要准备构建工具:
- Rust 环境(nightly-2021-03-01或以上),安装方法
- qemu-system-riscv64(请使用 5.2.0 版本),qemu安装方法
riscv64-linux-gnu-
系列或riscv64-unknown-elf-
系列两种常用的RISC-V工具链,或Rust嵌入式社区的cargo-binutils工具链,其中riscv64-linux-gnu
在Ubuntu平台可以使用apt
直接安装,cargo-binutils
按照github说明安装即可。- 调试工具(可选):RISC-V 指令集支持的 gdb
演示视频链接:https://pan.baidu.com/s/11U0_G3tufcu9fksLHryAYQ, 提取码:cym9
下载源码:
git clone https://github.com/HUST-OS/tornado-os.git
在qemu上运行:
cd tornado-os
cargo mkfs # 生成文件镜像
cargo qemu # 运行qemu模拟器
其中,cargo mkfs将生成文件的镜像,它需要在Linux或macOS系统下运行;如果开发环境是Windows,可以考虑在WSL下开发项目。 cargo qemu能在任何的操作系统下运行。
项目直接使用xtask写法,所以不需要安装make、just等脚本工具。如果在编写的过程中要求输入账号密码,可能因为xtask写法而输入失败。
这时候可以使用sudo su
等需要特权的Linux命令,输入密码后退出su
环境,当前控制台暂时保存权限,此时再运行命令就不需要输入密码了。
在k210上运行:
首先制作sd卡,将sd卡放入读卡器中,连接到PC端,确认您的sd卡分区,假设是/dev/sdb
,然后运行以下命令:
cargo mkfs # 生成文件镜像
sudo dd if=fs.img of=/dev/sdb count=1440k # 将文件镜像写入到sd卡中
# 上面这条命令如果长时间没结束可以直接Ctrl+C退出,文件镜像依然会写入到sd卡中
然后将sd卡从读卡器中拔出来插入到k210板子上,将k210板子连接到PC端。 接下来检查您的USB串口,运行命令:
cargo detect
终端会打印出当前您的k210板子对应的USB串口,这里假设是/dev/ttyUSB0
。
最后运行命令:
sudo chmod 777 /dev/ttyUSB0 # windows平台不需要这步
cargo k210 # 将内核二进制文件烧写到k210中运行
note: k210模式下按
Ctrl + ]
退出。
如果您需要运行数据库测例,这个样例程序需要额外的依赖库才能运行。请输入cargo mkfs --db
来编译,来选择这些依赖库。
演示程序说明请参考这里。
内核组件 | 状态 | 未来改动 |
---|---|---|
内存管理 | ✅ | 小 |
中断管理 | ✅ | 小 |
跳板页切换 | ✅(特权级切换) | 小 |
共享调度器 | ✅ | 较小 |
内核异步运行时 | ✅(执行器) | 比较大 |
用户异步运行时 | ✅(执行器) | 大 |
virtio异步块设备驱动 | ✅ | 小 |
sd卡异步驱动 | ✅(未完全) | 待实现 |
virtio异步网卡驱动 | ❌ | 待实现 |
不同地址空间任务切换 | ✅(yield系统调用) | 小 |
保底机制(时钟中断的处理) | ❌ | 待实现 |
相同地址空间任务通信 | ✅(Channel) | 较小 |
不同地址空间任务通信 | ❌ | 待实现 |
性能测试 | ✅(需要更精确的测试) | 大 |
系统调用 | 状态 | 实现优先级 |
---|---|---|
yield | ✅ | 高 |
异步IO | ✅(块设备读写) | 高 |
exec | ❌ | 低 |
目录名称 | 介绍 |
---|---|
tornado-kernel | 飓风内核实现 |
shared-scheduler | 共享调度器实现 |
tornado-user | 用户态代码实现 |
async-virtio-driver | 异步virtio块设备驱动 |
async-fat32 | 异步fat32文件系统 |
async-mutex | 异步锁 |
async-sd | 异步sd卡驱动 |
event | 事件机制库no_std 支持 |
rv-lock | RISC-V指令集关中断的锁 |
其**享调度器以二进制包的形式编译,集成一些接口提供给内核和用户,具体实现参考代码。
飓风内核中与共享调度器通过 API 兼容方式进行交互,具体参考代码,用户态代码同上,具体请参考代码。
- 从内核层面提供异步网络IO(异步网络协议栈)
- 更全面,更系统的性能测试分析
- 多核环境下的上下文管理机制
本项目使用双开源协议:
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