【Create my OS】项目简介

October 29, 2024

前言：

相信每个自学操作系统的同学，大致学习路线都离不开 HIT-OS、MIT-6.S081、MIT-6.824、MIT-6.828等经典的公开课。但学习完这些经典公开课并完成相应的Lab，很多同学脑海中对于操作系统的知识其实都是零散的，让你从头开始编写一个操作系统，我相信大部分人还是无从下手。因为Lab只是修改相应的核心模块，对于整体系统的组织、模块间的处理等细节，往往没有人去关注，也就是说我们还需要进一步把这些概念串起来、巩固起来。那么，我相信大部分人都有过一个想法：“我能不能自己写一个操作系统”，这可能是大部分操作系统开发人员的梦想吧。因此！本项目将展示如何从零开始使用 ANSI C 编写出一个基于 64 位 RISC-V 架构的操作系统——Jokerix，该系统支持在内核上运行用户态（User/Application mode）的终端，并输入命令执行其他程序。

源码公开：Joker001014/Jokerix (github.com)

0 前置知识【Create my OS】0 前置知识 | JokerDebug (joker001014.github.io)

    0.1 RISC-V硬件机制
    0.2 RISC-V 汇编
    0.3 SBI 规范
    0.4 GDB 调试
    0.5 Jokerix 体系结构
    0.6 实验环境

1 最小内核

    1.1 内核入口点
    1.2 生成内核镜像
    1.3 使用 QEMU 运行
    1.4 封装 SBI接口

2 开启中断

    2.1 RISC-V 中断机制
    2.2 触发断点
    2.3 中断上下文
    2.4 开启时钟中断

3 内存管理

    3.1 Buddy System
    3.2 动态内存分配
    3.3 内存按页分配框架
    3.4 基于线段树的页帧分配

4 虚拟内存

    4.1 Sv39内核映射
    4.2 实现页表
    4.3 内核重映射

5 内核线程

    5.1 线程切换
    5.2 构造线程结构
    5.3 从启动线程到新线程

6 线程调度

    6.1 线程管理
    6.2 调度线程
    6.3 Round-Robin 调度算法
    6.4 调度测试

7 用户线程

    7.1 创建用户程序
    7.2 实现系统调用
    7.3 进程内存空间
    7.4 创建用户进程

8 文件系统

    8.1 SimpleFS
    8.2 打包镜像
    8.3 内核文件驱动
    8.4 文件系统测试

9 实现终端

    9.1 键盘中断
    9.2 条件变量与输入缓冲
    9.3 echo 程序
    9.4 实现终端

编写代码文件时间线：

步骤	功能	文件（斜体表示二次修改）
1	CPU自检，跳转到Bootloader	/
2	将内核代码从磁盘加载到内存（Bootloader），由OpenSBI提供：把 CPU 从 M-Mode 切换到 S-Mode，并跳转到一个固定的地址 `0x80200000` 处	/
3	编写内核入口点：设置OS启动栈，跳转到`main.c`执行	`kernel/entry.S` `kernel/main.c`
4	将`entry.S`和`main.c` 编译和链接生成ELF文件（需存放在`0x80200000`），进一步生成二进制镜像文件	`Makefile` `kernel/kernel.ld`
5	QEMU加载镜像文件，至此成功运行操作系统。	/
6	封装SBI接口`ecall`；调用SBI接口实现 `printf` 功能	`kernel/sbi.h` `kernel/printf.c`
7	封装CSR读写；初始化中断处理程序入口，设置断点中断处理程序	`kernel/riscv.h` `kernel/interrupt.c`
8	保存和恢复中断上下文信息	`kernel/context.h` `kernel/interrupt.S`
9	初始化开启时钟中断，设置时钟中断处理程序	`kernel/timer.c` kernel/interrupt.c
10	基于二叉树的动态内存分配，采用Buddy System Allocation算法	`kernel/heap.c` `kernel/consts.h`
11	基于线段树的页帧分配	`kernel/memory.c`
12	设置页表，将内核运行在虚拟地址空间	kernel/kernel.ld kernel/entry.S
13	实现三级页表，将内核各个段映射到页表上	`kernel/mapping.c`
14	借助中断恢复机制创建内核线程，及线程上下文切换	`kernel/thread.c` `kernel/switch.S` kernel/context.h
15	线程管理框架，创建调度线程	`kernel/processor.c` kernel/thread.c
16	实现Round-Robin线程调度算法	`kernele/rrscheduler.c`
17	实现系统调用	`user/syscall.h`
18	实现用户态printf、动态内存分配、用户程序入口点、用户测试函数	`user/io.c` `user/malloc.c` `user/entry.c` `user/ulib.h` `user/hello.c`
19	编译用户程序并链接，将用户程序合并到内核	`user/Makefile` `user/linkUser.asm`
20	处理用户态系统调用	kernel/interrupt.c `kernel/syscall.c`
21	编译的用户程序为ELF文件，实现ELF文件加载和内存映射	`kernel/elf.c` kernel/mapping.c
22	创建用户线程结构（创建用户栈、创建内核栈、创建上下文）	kernel/thread.c kernel/mapping.c
23	打包生成文件系统镜像fs.img，将文件系统内容合并到内核	`mkfs/mksfs.c` `mkfs/simplefs.h` `kernel/linkFS.asm` Makefile
24	从文件系统中找到 Inode，加载 ELF 文件数据到字节数组中	`kernel/fs.c` kernel/main.c kernel/thread.c
25	处理键盘中断，实现条件变量，维护等待线程队列	`kernel/queue.c` `kernel/condition.c` kernel/interrupt.c kernel/mapping.c kerne/processor.c
26	标准输入缓冲区，维护缓存内容和条件变量	`kernel/stdin.c`