Bite The Disk

Intro

该项目由 HDU 三位同学在历届内核以及 Linux 实现的基础上，参考实现的一个可支持多核 CPU 的简单 OS 内核

BTD 小站:

Features

• IO

  • 完全支持标准 FAT32 镜像的读写，使用 LRU 算法建立了块缓存层提高效率
  • 借用 buddy 内存分配器，在一定程度上避免由物理内存不连续所导致的缓存丢失问题

• 进程

  • 依靠时间片的调度算法
  • 进程间信号的产生与处理
  • 多核进程 PID 池减轻加锁带来的性能开消
  • fork/exec 进程地址空间写时复制(COW)
  • 兼容 Linux/ELF 的虚拟地址空间

• 内存

  • 内存懒加载
  • COW
  • mmap/munmap 等系统调用

项目概况

文档

区域赛项目文档

项目结构

目录	简述
.vscode	VSCode, RA, C/C++ 相关配置
docs	项目相关文档
fat32	FAT32 文件系统
misc	系统调用测例，util 脚本等
kernel	内核源码，SBI
workspace	用于做一下临时的挂载等任务，方便内核调试

整体架构

Build

make run          # 构建并在 QEMU 上运行
make debug-server # 按照 debug 构建并启动 dbg-server
make debug        # 链接 dbg-server

Next Step

利用 Hifive-Unmatched 大小核特性，参考 goroutine 尝试优化进程调度

遇到的问题与解决

• 工具链默认不支持乘法指令:

  

  可以通过伪指令 .attribute arch, "rv64gc" 来解决

  这个问题的解决其实并不直观，除了给出的文档还参考了别人一些类似的情况，不过有的相关链接已经失效了。 不过这次给我们的启发是: 遇到不好解决的问题，除了别人的经验，可以大胆向官方提问，开 issue

  https://github.com/riscv-non-isa/riscv-asm-manual/blob/master/riscv-asm.md#-attribute

• VirtIOBlk 物理内存不连续时导致缓存数据丢失

  其实这个问题困扰了我们许久，很长时间找不到问题的原因。

  

  使用 Vec<u8> 代替 u8 数组:

  

  rcore-os/rCore-Tutorial-Book-v3#104 (comment)

  rcore-os/rCore-Tutorial-v3#79 (comment)

• 多核启动顺序

  

  接触过多线程的并发问题，但没有考虑到多核情况下的并发。

  资源的初始化需要单核完成后，其他核再以此运行

  参考 xv6-riscv 解决:

  // kernel/src/macros/on_boot.rs
  
  use core::sync::atomic::AtomicBool;
  
  pub static mut BOOTED: AtomicBool = core::sync::atomic::AtomicBool::new(false);
  
  macro_rules! synchronize_hart {
      () => {{
          unsafe {
              $crate::macros::on_boot::BOOTED.store(true, core::sync::atomic::Ordering::Relaxed);
              core::arch::asm!("fence");
          }
      }};
  }
  
  macro_rules! wait_for_booting {
      () => {{
          unsafe {
              while !$crate::macros::on_boot::BOOTED.load(core::sync::atomic::Ordering::Acquire) {}
          }
      }};
  }
  
  // kernel/src/main.rs
  
  #[cfg(feature = "multi-harts")]
  #[no_mangle]
  pub fn meow() -> ! {
      if hartid!() == 0 {
          init_bss();
          unsafe { set_fs(FS::Dirty) }
          lang_items::setup();
          mm::init_frame_allocator();
          mm::enable_mmu();
          trap::init();
          trap::enable_stimer_interrupt();
          timer::set_next_trigger();
          fs::init();
          task::add_initproc();
  
          synchronize_hart!()
      } else {
          wait_for_booting!();
  
          unsafe { set_fs(FS::Dirty) }
  
          mm::enable_mmu();
          trap::init();
          trap::enable_stimer_interrupt();
          timer::set_next_trigger();
      }
  
      task::run_tasks();
  }

  https://github.com/mit-pdos/xv6-riscv/blob/f5b93ef12f7159f74f80f94729ee4faabe42c360/kernel/main.c#L32

• FAT32 文件系统规范问题：

  • 没有根目录短目录项实体：最初我们 FAT32 库为根目录记录存储了实体，但发现没法解析 Linux 格式化出的 FAT32 文件系统镜像，虽然看文档时对 FAT32 的根目录没有目录项有印象，但实际实现过程中为了方面记录了实体，最后查阅文档以及参考上届作品的 FAT32 文件系统实现时发现并解决了这个问题。
  • 目录文件的短目录项的文件大小字段为 0：最初我们 FAT32 库的读参考了部分 eazy-fs 的文件读，其中利用文件大小来判断边界范围等问题，虽然看文档时对 目录文件的文件大小为 0 也有映像，但是由于在实现文件读时使用了文件大小作为判断依据，导致没法解析文件系统内容。最后也是通过查阅文档以及参考上届作品的 FAT32 文件系统实现时才发现并解决了这个问题。

关联文档 / 链接 / 相关 issue

• 乘法指令问题:

  https://github.com/riscv-non-isa/riscv-asm-manual/blob/master/riscv-asm.md#-attribute

• 内存地址不连续导致缓存丢失:

  rcore-os/rCore-Tutorial-Book-v3#104 (comment)

  rcore-os/rCore-Tutorial-v3#79 (comment)

• 多核乱序输出:

  https://github.com/mit-pdos/xv6-riscv/blob/f5b93ef12f7159f74f80f94729ee4faabe42c360/kernel/main.c#L32

• debug.md

• commit-spec.md