ruxpin

Ruxpinos

Iniciado em 1 de março de 2022

Uma tentativa de fazer um sistema operacional em ferrugem para um Raspberry Pi 3. Devido a restrições de tempo, priorizei obter algo que funciona em vez de experimentar novas idéias, então, por enquanto, é um sistema operacional monolítico com uma API do tipo Unix, mas posso mudar isso no futuro. Copiei amplamente o que havia feito para o GLOWORM OS, que está escrito em C.

No momento, ele tem suporte para memória virtual, com alocação de página sob demanda, mas ainda não há suporte para trocar a memória pelo disco. Possui um sistema de arquivos virtual com suporte para o sistema de arquivos EXT2, bem como alguns sistemas de arquivos na memória. Ele suporta vários processos com a comutação de contexto desencadeada pelo cronômetro do sistema, mas ainda não suporta vários threads.

Atualmente, existe apenas um driver de console (subsistema TTY) e driver de cartão SD/EMMC (subsistema de dispositivo de bloco). O subsistema do driver de bloco fornece um bufcache para os blocos de cache lidos no disco pelo sistema de arquivos. Os blocos emprestados como mutáveis ​​são marcados sujos e serão gravados de volta na próxima confirmação do bloco. O suporte à escrita do ext2 ainda não foi bem testado, portanto, cometer está desativado por enquanto.

Os aplicativos podem ser escritos em ferrugem e compilados com as bibliotecas incluídas, que usam a instrução AARCH64 SVC para executar chamadas do sistema para o sistema operacional. Atualmente, ele suporta operações básicas de arquivos, bem como exit , fork e exec . O sistema operacional pode carregar diretamente os binários elfos produzidos pela carga como aplicativos e executá -los. Um programa de shell simples (lançado pelo kernel após a inicialização) e o comando ls estão disponíveis, mas estão apenas em uma fase de prova de conceito.

Compilação

O sistema operacional consiste em um kernel e algumas aplicações que são todas compiladas separadamente. Os aplicativos podem ser carregados em uma partição EXT2, que pode ser lida pelo kernel, mas o kernel precisa ser carregado separadamente, para que não esteja incluído na imagem.

Normalmente, quando um Raspberry Pi Boots, o firmware procura uma partição de gordura no cartão microSD que contém o arquivo kernel8.img , que é então carregado no endereço 0x80000 e executado. Depois que o kernel estiver em execução, ele pode montar qualquer outra partição para usar como um sistema de arquivos raiz. Ao executar no Qemu, a imagem do kernel é passada na linha de comando, juntamente com o nome do arquivo de uma imagem de disco que contém a partição ext2.

Um makefile é fornecido na raiz do projeto para criar a imagem do disco ext2. Para facilitar o teste do código no qemu ou no hardware, ele cria uma imagem de disco que parece a mesma do cartão microSD (ou seja, uma partição de gordura mais uma partição ext2). Ao usar o Qemu, a partição de gordura é ignorada.

Para criar uma imagem, a partir de uma execução do computador Linux:

make create-image
make load-image

Isso criará um novo arquivo de imagem de 4 GB, use mkfs.ext2 para criar um novo sistema de arquivos dentro dele, montá -lo como um dispositivo de loopback em <project>/build e depois compilar e carregar os aplicativos nele. Ele também copia uma tabela de partição codificada na imagem, que replica as partições usadas pelo hardware.

Depois que a imagem for criada, o kernel pode ser compilado e executado em qemu, usando:

 cd config/raspberrypi3/
make
./qemu.sh

Atualmente, correr em um Raspberry Pi requer um console serial USB. Estou usando o programa Miniload do Rust Raspberry Pi OS Tutorial para acorrentar o kernel pela porta serial. Pode ser possível colocar a imagem do kernel compilada ( ruxpin.img ) na partição de inicialização do arquivo criado e escrevê -lo no disco, mas ainda não testei isso.

Exemplo de saída

A saída a seguir foi copiada do console quando executada no Qemu. Ele tem muitas mensagens de depuração para mostrar o que está acontecendo. Começa configurando a memória da heap e da página do kernel, registra os tipos de sistema de arquivos, inicializa os drivers do dispositivo e monta a partição raiz ext2. Em seguida, ele executa uma série de testes para verificar a funcionalidade básica do sistema de arquivos, seguida pelo lançamento do primeiro processo (o shell). Um comando é digitado, mostrado entre "<>", que inicia o programa ls , imprime uma lista dos arquivos e diretórios em / , e depois sai de volta ao prompt do 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
%