NBOS

小型学习用OS
硬件平台：QEMU模拟的ARMv8 A57虚拟机

参考
https://github.com/MaciekBielski/bareMetalAarch64
https://github.com/NienfengYao/armv8-bare-metal
https://github.com/s-matyukevich/raspberry-pi-os
https://elixir.bootlin.com/linux/v2.6.24/source
https://github.com/labrick/linux-0.11

NBOS开发文档

〇、总览

0.1 简介

NBOS是一个以Linux为参照的小型OS 硬件开发环境选用QEMU模拟器中的ARM64的virt machine 和 cortex-a57 CPU
现在的配置QEMU启动后内部Bootloader做了一部分初始化，然后从0x4000 0000这个地址开始执行，并跳转到0x4008 0000，二进制镜像被加载到0x4008 0000地址处运行，默认是EL1

0.2 已完成

基于EL0/EL1异常级别的任务简单调度
中断控制器，定时器中断，串口打印
任务控制块，静态定义了init任务
物理内存两级管理
系统调用机制
printf
MMU及虚存管理
用户进程及内核线程的创建与退出

0.3 下一步待完成

文件系统
补充系统调用
用户态页基于链表的管理
中断系统

一、运行NBOS

1.1 搭建开发环境

服务器环境 ubuntu 16.04

安装QEMU模拟器
sudo apt-get install qemu-system-arm
安装完后会有qemu-system-aarch64可执行文件

安装交叉编译器
https://releases.linaro.org/components/toolchain/binaries/5.4-2017.01/aarch64-elf
解压后添加至环境变量即可

1.2 运行模拟器

a.获得项目

git clone [email protected]:zhulangpi/NBOS.git

b.编译并运行NBOS

#编译产生NBOS.elf
make
#利用QEMU加载NBOS
make run

#qemu退出

ctrl+a then x

c.利用gdb调试

#主机终端执行
make gdb_srv
#gdb终端执行，ctrl+x then a 退出reg layout布局
make gdb_cli

1.3 QEMU提供的硬件环境

获得虚拟机器的设备树dts

在工程etc目录下产生设备树文件
make dts

以下qemu源码展示了virt虚拟机器的硬件配置
https://github.com/qemu/qemu/blob/master/hw/arm/virt.c

二、硬件结构

2.1 物理地址空间

由于ARM是IO与MEM统一编址，罗列地址空间方便查看
主要从设备树获取

属性	地址范围	大小
pflash	0x0400 0000 - 0x0800 0000	0x0400 0000 (64M)
GICD(Distributor)	0x0800 0000 - 0x0801 0000	0x1 0000
GICC(CPU interface)	0x0801 0000 - 0x0802 0000	0x1 0000
PL011(UART)	0x0900 0000 - 0x0900 1000	0x1000
DRAM	0x4000 0000 - 0x8000 0000	0x4000 0000 (1G)

三、任务管理

3.1 数据结构

3.1.1 任务描述符

用于描述并管理一个任务，作为调度的基本单位

/* 任务描述符 */  
struct task_struct{
    struct cpu_context cpu_context; //must be the first position
    int state;
    unsigned long preempt_count;
    struct mm_struct *mm;
    struct list_head list;
    unsigned int canary;            //任务描述符位于栈顶，如果该值被修改，则栈溢出
};

cpu_context : 用于存放任务上下文，目前主要是CPU寄存器组的内容
state : 任务状态
preempt_count: 抢占计数
mm : 地址空间描述符
list : 任务链表
canary : 栈溢出检测

任务的内核栈，满递减栈，地址最低处保存对应任务描述符的地址。
如此，通过sp可以间接获得任务描述符

3.2 任务调度

暂时是一个基于链表遍历的Round-Robin
以init任务作为链表头形成一个针对CPU的任务队列
队列上任务的状态任意

四、内存管理

参考资料：
https://www.cnblogs.com/v-July-v/archive/2011/01/06/1983695.html
https://github.com/tina0405/raspberry-pi3-mini-os/blob/a5b4bfcc1211f3a7e073ead3b80d4d509e563277/9.ldaxr%2Bcache_on/include/mm.h

4.1 地址空间映射

内核空间
0xffff 0000 0000 0000 - 0xffff 0000 4000 0000
采用2MB的block映射

页表项号	页表项存放PA	VA	PA	属性
0	0x4008 9000	0xffff 0000 0000 0000	0x4000 0000	0x405
1	0x4008 9008	0xffff 0000 0020 0000	0x4020 0000	...
...	...	...	...	...
509	0x4008 9fe8	0xffff 0000 3fa0 0000	0x7fa0 0000	0x405
510	0x4008 9ff0	0xffff 0000 3fc0 0000	0x0900 0000	0x401
511		0xffff 0000 3fe0 0000

用户空间
支持按页映射与基于数组的反向映射

4.2 页分配

暂时只支持一页的分配与回收

4.3 类slab分配

支持对[1, 一页]大小范围内的分配与回收

五、异常处理

支持系统调用、EL0/EL1外部中断处理、异常打印
待完善异常栈的打印

六、设备驱动

目前没有设备模型及驱动框架

6.1 定时器

核内定时器，产生周期中断，作为基本的系统时钟源和调度时钟

6.2 中断控制器GIC

6.3 串口

七、文件系统

支持对minix格式文件系统文件的open, close, read, write和lseek
文件系统存储介质用的是QEMU中的cfi-flash虚拟设备