ruxpin

Рукспинос

Начало 1 марта 2022 года

Попытка сделать операционную систему в Rust для Raspberry Pi 3. Из-за ограничений по времени я расставлял приоритеты для получения чего-то, что работает вместо того, чтобы пробовать новые идеи, так что сейчас это монолитная ОС с API, похожим на Unix, но я могу изменить это в будущем. Я в значительной степени скопировал то, что сделал для ОС Gloworm, которая написана в C.

На данный момент он имеет поддержку виртуальной памяти, с распределением страниц по требованию, но не поддерживает для обмена памятью на диск. Он имеет виртуальную файловую систему с поддержкой файловой системы EXT2, а также некоторые файловые системы в памяти. Он поддерживает несколько процессов с переключением контекста, запускаемым системным таймером, но еще не поддерживает несколько потоков.

В настоящее время существует только консольный драйвер (подсистема TTY) и драйвер карты SD/EMMC (подсистема блока устройства). Подсистема драйвера блока предоставляет блоки для кэша, считываемые с диска с помощью файловой системы. Блоки, которые заимствованы как изменчивые, отмечены грязными и будут записаны в следующем блоке. Поддержка письма EXT2 еще не протестирована, поэтому совершение отключена на данный момент.

Приложения могут быть записаны в ржавчине и составлены с включенными библиотеками, которые используют инструкцию AARCH64 SVC для выполнения системных вызовов в ОС. В настоящее время он поддерживает базовые файловые операции, а также exit , fork и exec . ОС может непосредственно загружать бинарные файлы эльфов, произведенные грузом в качестве приложений, и запускать их. Простая программа Shell (запускается ядром после инициализации) и команда ls доступны, но находятся только на стадии подтверждения концепции.

Компиляция

ОС состоит из ядра и нескольких приложений, которые все составлены отдельно. Приложения могут быть загружены в раздел ext2, который может быть прочитал ядром, но ядро ​​должно быть загружено отдельно, поэтому оно не включено в изображение.

Обычно, когда сапоги Raspberry Pi, прошивка ищет жирный раздел на карте MicroSD, содержащей файл kernel8.img , который затем загружается по адресу 0x80000 и запускается. Как только ядро ​​запускается, он может установить любые другие разделы для использования в качестве корневой файловой системы. При запуске в QEMU изображение ядра передается в командной строке вместе с именем файла диска, которое содержит раздел EXT2.

Makefil представлен в корне проекта для создания изображения диска EXT2. Чтобы облегчить тестирование кода в QEMU или на аппаратном обеспечении, он создает изображение диска, которое выглядит так же, как и карта MicroSD (т.е. жирный раздел плюс раздел ext2). При использовании QEMU, жирный раздел игнорируется.

Чтобы создать изображение, из запуска компьютера Linux:

make create-image
make load-image

Это создаст новый файл изображения 4GB, используйте mkfs.ext2 , чтобы создать новую файловую систему внутри нее, установите его в качестве устройства Loopback по адресу <project>/build , а затем составят и загрузите приложения в него. Он также копирует таблицу с твердым кодированием в изображение, которое повторяет разделы, используемые аппаратным обеспечением.

После создания изображения ядро ​​можно скомпилировать и запустить в QEMU, используя:

 cd config/raspberrypi3/
make
./qemu.sh

Для запуска на Raspberry Pi в настоящее время требуется серийная консоль USB. Я использую программу MiniLoad из учебника из Rust Raspberry Pi OS, чтобы загрузить ядро ​​через последовательный порт. Возможно, можно было бы поместить скомпилированное изображение ядра ( ruxpin.img ) в раздел загрузки созданного файла и написать его на диск, но я еще не проверял это.

Пример вывода

Следующий выход был скопирован из консоли при запуске в QEMU. У этого есть много отладочных сообщений, чтобы показать, что происходит. Он начинается с настройки кучи ядра и памяти страниц, регистрирует типы файловых систем, инициализируйте драйверы устройства и объединяет раздел root ext2. Затем он выполняет ряд тестов для проверки базовой функциональности файловой системы, а затем запустить первый процесс (Shell). Затем вводится команда, отображаемая между «<>», которая запускает программу ls , печатает список файлов и каталогов в / , а затем выходит обратно в приглашение оболочки.

 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
%