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

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

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