ruxpin

Ruxpinos

Comenzó el 1 de marzo de 2022

Un intento de hacer un sistema operativo en Rust para una Raspberry Pi 3. Debido a las limitaciones de tiempo, he priorizado obtener algo que funcione en lugar de probar nuevas ideas, por lo que por ahora es un sistema operativo monolítico con una API similar a UNIX, pero podría cambiar eso en el futuro. Copié en gran medida lo que había hecho por Gloworm OS que está escrito en C.

Por el momento, tiene soporte para la memoria virtual, con asignación de página bajo demanda, pero aún no es soporte para intercambiar memoria al disco. Tiene un sistema de archivos virtual con soporte para el sistema de archivos EXT2, así como algunos sistemas de archivos en memoria. Admite múltiples procesos con conmutación de contexto activado por el temporizador del sistema, pero aún no admite múltiples subprocesos.

Actualmente, solo hay un controlador de consola (subsistema TTY) y controlador de tarjeta SD/EMMC (subsistema de dispositivos de bloque). El subsistema del controlador de bloques proporciona un bufcache a los bloques de caché que se leen desde el disco por el sistema de archivos. Los bloques que se toman prestados como mutables están marcados sucios y se escribirán en el próximo compromiso de bloque. El soporte de escritura EXT2 aún no está bien probado, por lo que cometer está deshabilitado por ahora.

Las aplicaciones se pueden escribir en Rust y compilarse con las bibliotecas incluidas, que utilizan la instrucción AARCH64 SVC para realizar llamadas del sistema al sistema operativo. Actualmente admite operaciones básicas de archivos, así como exit , fork y exec . El sistema operativo puede cargar directamente los binarios de elfos producidos por carga como aplicaciones, y ejecutarlos. Un programa de shell simple (lanzado por el núcleo después de la inicialización) y el comando ls están disponibles, pero solo están en una etapa de prueba de concepto.

Compilación

El sistema operativo consiste en un núcleo y algunas aplicaciones que se compilan por separado. Las aplicaciones se pueden cargar en una partición EXT2, que puede ser leída por el núcleo, pero el núcleo debe cargarse por separado, por lo que no está incluido en la imagen.

Normalmente, cuando se inicia una frambuesa Pi, el firmware busca una partición grasa en la tarjeta microSD que contiene el archivo kernel8.img , que luego se carga en la dirección 0x80000 y se ejecuta. Una vez que el núcleo se está ejecutando, puede montar cualquier otra partición para usar como sistema de archivos raíz. Cuando se ejecuta en QEMU, la imagen del núcleo se pasa en la línea de comando, junto con el nombre de archivo de una imagen de disco que contiene la partición ext2.

Se proporciona un archivo Make en la raíz del proyecto para construir la imagen del disco EXT2. Para facilitar la prueba del código en QEMU o en el hardware, crea una imagen de disco que se ve igual a la tarjeta microSD (es decir, una partición gorda más una partición ext2). Cuando se usa QEMU, se ignora la partición de grasa.

Para crear una imagen, desde una computadora Linux ejecutada:

make create-image
make load-image

Esto creará un nuevo archivo de imagen de 4GB, usará mkfs.ext2 para crear un nuevo sistema de archivos dentro de él, lo montará como un dispositivo de bucle en <project>/build , y luego compilar y cargar las aplicaciones en él. También copia una tabla de partición codificada en la imagen, que replica las particiones utilizadas por el hardware.

Una vez que se ha creado la imagen, el núcleo se puede compilar y ejecutar en QEMU, usando:

 cd config/raspberrypi3/
make
./qemu.sh

Actualmente se ejecuta en una Raspberry Pi requiere una consola de serie USB. Estoy usando el programa Miniload del tutorial de Rust Raspberry Pi OS para cargar el núcleo sobre el puerto serie. Puede ser posible poner la imagen del núcleo compilada ( ruxpin.img ) en la partición de arranque del archivo creado y escribirla en el disco, pero aún no lo he probado.

Salida de ejemplo

La siguiente salida se copió de la consola cuando se ejecuta en QEMU. Tiene muchos mensajes de depuración para mostrar lo que está sucediendo. Comienza configurando el montón de núcleo y la memoria de la página, registra los tipos del sistema de archivos, inicializa los controladores del dispositivo y monta la partición Root Ext2. Luego realiza una serie de pruebas para verificar la funcionalidad básica del sistema de archivos, seguido de iniciar el primer proceso (el shell). Luego se escribe un comando, que se muestra entre "<>", que inicia el programa ls , imprime una lista de los archivos y directorios en / , y luego vuelve a la solicitud de shell.

 starting kernel...
kernel heap: using 0x200000, size 14MiB
virtual memory: using region at PhysicalAddress(0x1000000), size 240 MiB, pages 61438
interrupts: initializing generic arm interrupt controller
fs: registering filesystem tmpfs
fs: registering filesystem devfs
fs: registering filesystem ext2
console: initializing
sd: initializing
sd: found partition 0 at 2000, 256 MiB
sd: found partition 1 at 82000, 740 MiB
fs: mounting ext2 at /, device Some(DeviceID(0, 2))
ext2: magic number ef53, block size 4096
ext2: total blocks 982016, total inodes 245760, unallocated blocks: 963991, unallocated inodes: 245742
ext2: features compat: 38, ro: 3, incompat: 2
ext2: allocating inode 13
fs: mounting devfs at /dev, device None
ext2: looking for "dev", found inode 13

Running some hardcoded tests before completing the startup

Mounting the tmpfs filesystem (simple in-memory file system)
ext2: allocating inode 14
fs: mounting tmpfs at /tmp, device None
ext2: looking for "tmp", found inode 14

Creating a directory and a file inside of it
ext2: allocating inode 15
ext2: looking for "testdir", found inode 15
ext2: allocating inode 16
ext2: allocating block 761 in group 0
ext2: allocating block 762 in group 0
ext2: writing to block 762
Read file 14: This is a test

Opening the console device file and writing to it
ext2: looking for "dev", found inode 13
the device file can write

Opening the testapp binary through the vfs interface and reading some data
ext2: looking for "bin", found inode 32769
ext2: looking for "testapp", found inode 32770
read in 1024 bytes
0xffff00000007f790: 7f 45 4c 46 02 01 01 00 00 00 00 00 00 00 00 00 
0xffff00000007f7a0: 02 00 b7 00 01 00 00 00 70 29 21 00 00 00 00 00 
0xffff00000007f7b0: 40 00 00 00 00 00 00 00 d0 c8 0d 00 00 00 00 00 
0xffff00000007f7c0: 00 00 00 00 40 00 38 00 04 00 40 00 10 00 0e 00 
0xffff00000007f7d0: 06 00 00 00 04 00 00 00 40 00 00 00 00 00 00 00 
0xffff00000007f7e0: 40 00 20 00 00 00 00 00 40 00 20 00 00 00 00 00 
0xffff00000007f7f0: e0 00 00 00 00 00 00 00 e0 00 00 00 00 00 00 00 
0xffff00000007f800: 08 00 00 00 00 00 00 00 01 00 00 00 04 00 00 00 
0xffff00000007f810: 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 20 00 00 00 00 00 
0xffff00000007f820: 00 00 20 00 00 00 00 00 60 09 00 00 00 00 00 00 
0xffff00000007f830: 60 09 00 00 00 00 00 00 00 00 01 00 00 00 00 00 
0xffff00000007f840: 01 00 00 00 05 00 00 00 60 09 00 00 00 00 00 00 
0xffff00000007f850: 60 09 21 00 00 00 00 00 60 09 21 00 00 00 00 00 
0xffff00000007f860: d8 31 00 00 00 00 00 00 d8 31 00 00 00 00 00 00 
0xffff00000007f870: 00 00 01 00 00 00 00 00 51 e5 74 64 06 00 00 00 
0xffff00000007f880: 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 
0xffff00000007f890: 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 
0xffff00000007f8a0: 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 
0xffff00000007f8b0: 63 61 6c 6c 65 64 20 60 52 65 73 75 6c 74 3a 3a 
0xffff00000007f8c0: 75 6e 77 72 61 70 28 29 60 20 6f 6e 20 61 6e 20 
0xffff00000007f8d0: 60 45 72 72 60 20 76 61 6c 75 65 00 00 00 00 00 
0xffff00000007f8e0: 60 09 21 00 00 00 00 00 08 00 00 00 00 00 00 00 
0xffff00000007f8f0: 08 00 00 00 00 00 00 00 20 10 21 00 00 00 00 00 
0xffff00000007f900: 60 09 21 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 
0xffff00000007f910: 01 00 00 00 00 00 00 00 94 28 21 00 00 00 00 00 
0xffff00000007f920: 61 20 72 65 61 6c 6c 79 20 63 6f 6f 6c 20 6d 65 
0xffff00000007f930: 73 73 61 67 65 20 74 68 61 74 20 49 27 64 20 6c 
0xffff00000007f940: 69 6b 65 20 74 6f 20 73 65 65 00 00 00 00 00 00 
0xffff00000007f950: 90 01 20 00 00 00 00 00 2a 00 00 00 00 00 00 00 
0xffff00000007f960: 73 72 63 2f 6d 61 69 6e 2e 72 73 00 00 00 00 00 
0xffff00000007f970: d0 01 20 00 00 00 00 00 0b 00 00 00 00 00 00 00 
0xffff00000007f980: 0c 00 00 00 05 00 00 00 0a 2f 6d 6e 74 2f 74 65 
0xffff00000007f990: 73 74 32 00 00 00 00 00 d0 01 20 00 00 00 00 00 
0xffff00000007f9a0: 0b 00 00 00 00 00 00 00 0e 00 00 00 51 00 00 00 
0xffff00000007f9b0: d0 01 20 00 00 00 00 00 0b 00 00 00 00 00 00 00 
0xffff00000007f9c0: 10 00 00 00 28 00 00 00 d0 01 20 00 00 00 00 00 
0xffff00000007f9d0: 0b 00 00 00 00 00 00 00 11 00 00 00 19 00 00 00 
0xffff00000007f9e0: d0 01 20 00 00 00 00 00 0b 00 00 00 00 00 00 00 
0xffff00000007f9f0: 11 00 00 00 2a 00 00 00 d0 01 20 00 00 00 00 00 
0xffff00000007fa00: 0b 00 00 00 00 00 00 00 12 00 00 00 11 00 00 00 
0xffff00000007fa10: d0 01 20 00 00 00 00 00 0b 00 00 00 00 00 00 00 
0xffff00000007fa20: 17 00 00 00 38 00 00 00 d0 01 20 00 00 00 00 00 
0xffff00000007fa30: 0b 00 00 00 00 00 00 00 1a 00 00 00 10 00 00 00 
0xffff00000007fa40: 72 65 61 64 20 69 6e 20 00 00 00 00 20 00 00 00 
0xffff00000007fa50: 4e 6f 74 41 46 69 6c 65 d0 01 20 00 00 00 00 00 
0xffff00000007fa60: 0b 00 00 00 00 00 00 00 1c 00 00 00 31 00 00 00 
0xffff00000007fa70: d0 01 20 00 00 00 00 00 0b 00 00 00 00 00 00 00 
0xffff00000007fa80: 1d 00 00 00 31 00 00 00 64 6f 6e 65 00 00 00 00 
0xffff00000007fa90: f8 02 20 00 00 00 00 00 04 00 00 00 00 00 00 00 
0xffff00000007faa0: d0 01 20 00 00 00 00 00 0b 00 00 00 00 00 00 00 
0xffff00000007fab0: 2d 00 00 00 05 00 00 00 65 78 65 63 75 74 69 6e 
0xffff00000007fac0: 67 20 73 65 6c 66 00 00 28 03 20 00 00 00 00 00 
0xffff00000007fad0: 0e 00 00 00 00 00 00 00 d0 01 20 00 00 00 00 00 
0xffff00000007fae0: 0b 00 00 00 00 00 00 00 24 00 00 00 15 00 00 00 
0xffff00000007faf0: 46 69 6c 65 53 69 7a 65 54 6f 6f 4c 61 72 67 65 
0xffff00000007fb00: 4e 6f 53 75 63 68 46 69 6c 65 73 79 73 74 65 6d 
0xffff00000007fb10: 2f 6d 6e 74 2f 62 69 6e 2f 74 65 73 74 61 70 70 
0xffff00000007fb20: 54 6f 6f 4d 61 6e 79 46 69 6c 65 73 4f 70 65 6e 
0xffff00000007fb30: 72 61 6e 67 65 20 65 6e 64 20 69 6e 64 65 78 20 
0xffff00000007fb40: 50 0e 21 00 00 00 00 00 08 00 00 00 00 00 00 00 
0xffff00000007fb50: 08 00 00 00 00 00 00 00 90 0f 21 00 00 00 00 00 
0xffff00000007fb60: 60 0e 21 00 00 00 00 00 50 0f 21 00 00 00 00 00 
0xffff00000007fb70: 00 05 0a 0f 14 19 1e 23 28 2d 32 37 3c 41 46 4b 
0xffff00000007fb80: 50 55 5a 5f 64 69 6e 73 78 7d 82 87 8c 91 63 61 

Opening a new file and writing some data into it
ext2: allocating inode 17
ext2: allocating block 763 in group 0
ext2: writing to block 763

Reading back the data written previously
ext2: looking for "test2", found inode 17
0xffff00000007fba0: 74 68 69 73 20 69 73 20 73 6f 6d 65 20 74 65 73 
0xffff00000007fbb0: 74 20 64 61 74 61 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 
0xffff00000007fbc0: 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 
0xffff00000007fbd0: 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 
0xffff00000007fbe0: 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 
0xffff00000007fbf0: 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 
0xffff00000007fc00: 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 
0xffff00000007fc10: 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 

Printing the contents of the root directory (ext2 mount)
reading dir . with inode 2
reading dir .. with inode 2
reading dir lost+found with inode 11
reading dir bin with inode 32769
reading dir test with inode 12
reading dir dev with inode 13
reading dir tmp with inode 14
reading dir testdir with inode 15
reading dir test2 with inode 17

Finished tests

loading the first processs (/bin/sh) from elf binary file
ext2: looking for "bin", found inode 32769
ext2: looking for "sh", found inode 32772
program segment 0: 6 4 offset: 40 v:200040 p:200040 size: e0
program segment 1: 1 4 offset: 0 v:200000 p:200000 size: 1870
program segment 2: 1 5 offset: 1870 v:211870 p:211870 size: 53c8
program segment 3: 6474e551 6 offset: 0 v:0 p:0 size: 0
ext2: looking for "dev", found inode 13
timer: initializing generic arm timer to trigger context switch
kernel initialization complete
scheduler: starting multitasking
Instruction or Data Abort caused by Access Flag at address 215a70 (allocating new page)
Instruction or Data Abort caused by Access Flag at address fffffff0 (allocating new page)
Instruction or Data Abort caused by Access Flag at address 21337c (allocating new page)
Instruction or Data Abort caused by Access Flag at address 212190 (allocating new page)

Starting shell...
Instruction or Data Abort caused by Access Flag at address 216c34 (allocating new page)
% <typing in ls>
Instruction or Data Abort caused by Access Flag at address 2140e8 (allocating new page)
executing /bin/ls
child pid is 3
clearing old process space
executing a new process
ext2: looking for "bin", found inode 32769
ext2: looking for "ls", found inode 32774
program segment 0: 6 4 offset: 40 v:200040 p:200040 size: e0
program segment 1: 1 4 offset: 0 v:200000 p:200000 size: 730
program segment 2: 1 5 offset: 730 v:210730 p:210730 size: 2cb8
program segment 3: 6474e551 6 offset: 0 v:0 p:0 size: 0
ext2: looking for "dev", found inode 13
Instruction or Data Abort caused by Access Flag at address 212220 (allocating new page)
Instruction or Data Abort caused by Access Flag at address fffffff0 (allocating new page)
ext2: looking for ".", found inode 2
Instruction or Data Abort caused by Access Flag at address 2133e4 (allocating new page)
Instruction or Data Abort caused by Access Flag at address 2110e4 (allocating new page)
.
..
lost+found
bin
test
dev
tmp
testdir
test2
Exiting process 3
%