基于riscv使用rust开发的os内核

本项目建立初衷是通过使用当下新兴的安全语言Rust设计一个基于riscv的操作系统内核，完成从理论到实践的转变。全流程设计os的尝试，为日后的进一步探索打下基础。

一、为什么要用rust进行设计

首先，从Rust这门语言本身来看，Rust已经连续七年位居Stack Overflow最受开发者喜爱的编程语言榜榜首。

此外，Rust兼具不逊于C的性能与其不具有的安全性。

当今时代，对语言安全性的要求愈发严苛。例如，美国国防部高级研究计划局（DARPA）正在推动程序代码转换工具TRACTOR的开发。TRACTOR是 TRanslating All C TO Rust 的缩写，该项目旨在开发机器学习工具，自动将旧C代码转换为Rust代码，并且在操作系统方面Linux也推出了 Rust For Linux 项目， 包括微软也正在用Rust编程语言重写核心Windows库。。

从另一方面来讲，操作系统可以说是生存周期最长的软件，但操作系统的前期规划与设计具有很大的偶然性、历史局限性和开发者的个人主观特征。1991年发布的Linux的软件设计思路来源于1969年的UNIX，而它们在最开始都是由一位天才的软件开发程序员来完成的。贝尔实验室的两位软件工程师 Ken Thompson 与 Dennis Ritchie经历多次迭代开发，用汇编语言写UNIX，再尝试用B语言写UNIX，最后发明C语言重写UNIX。整个操作系统的核心代码量在一万行以下。而Dennis Ritchie设计C语言就是为了方便开发UNIX操作系统，所以编程简洁灵活，方便访问硬件，以及良好的可移植性成为C语言的首要设计目标。C语言就是为写UNIX而诞生的。Dennis Ritchie和KenThompson没有期望设计一种新语言能帮助高效简洁地开发复杂的应用业务逻辑，只是希望用一种简洁的方式抽象出计算机的行为，便于编写控制计算机硬件的操作系统，最终的结果就是C语言。

但是，我们从学习C语言开始，就被指针支配，它在提供灵活性的同时带来最常见的报错。而且C语言缺少有效的并发支持，导致内存和并发漏洞成为当前操作系统的噩梦。直到Rust语言的出现。Rust语言具有与C一样的硬件控制能力，且大大强化了安全编程。从某种角度上看，新出现的Rust语言的核心目标是解决C的短板，取代C。所以用Rust写OS具有很好的开发和运行的体验。

而用Rust写OS的代价仅仅是学会用Rust编程。

从国内高校教学来看，清华率先开设rcore课程，并开设了一些关于Rust语言的选修课，国内其它高校包括国防科大、华中科大等紧随其后开设相关课程，国内Rust的开源生态建设也越来越好，开放原子基金会最近也举办了基于Rust语言的算法竞赛活动。

虽然学习曲线陡峭这一点为人诟病，但是只要掌握了生命周期和所有权的概念，其它的就水到渠成了。

二、为什么基于riscv

最常见的的CPU是x86和ARM，他们已经广泛应用在服务器，台式机，移动终端和很多嵌入式系统中。它们需要支持非常多的软件系统和应用需求，导致它们越来越复杂。x86的向过去兼容的策略确保了它的江湖地位，但导致其丢不掉很多已经比较过时的硬件设计，让操作系统疲于适配这些硬件特征。x86和ARM都很成功，这主要是在商业上，其广泛使用是的其CPU硬件逻辑越来越复杂，且不够开放，不能改变，不是开源的，提高了操作系统开发者的学习难度。从某种角度上看，新出现的RISC-V的核心目标是灵活适应未来的IoT场景，保证基本功能，提供可配置的扩展功能。其开源特征使得学生都可以方便地设计一个RISC-V的CPU，例如我们本次使用chisel设计的cpu。

写面向RISC-V的OS的代价仅仅是你了解RISC-V的Supevisor特权模式，知道OS在Supevisor特权模式下的控制能力。

三、整体框架

源码结构

easy-fs 
│
os
├── Cargo.lock
├── Cargo.toml
├── Makefile
├── build.rs
├── src
│   ├── boards
│   ├── config.rs
│   ├── console.rs
│   ├── drivers
│   ├── entry.asm
│   ├── fs
│   ├── lang_items.rs
│   ├── link_app.S
│   ├── linker.ld
│   ├── logging.rs
│   ├── main.rs
│   ├── mm
│   ├── sbi.rs
│   ├── sync
│   ├── syscall
│   ├── task
│   ├── timer.rs
│   └── trap
├──target
│   ├── CACHEDIR.TAG
│   ├── debug
│   ├── release
│   └── riscv64gc-unknown-none-elf
user
├── Cargo.lock
├── Cargo.toml
├── Makefile
├── README.md
├── build
│   ├── app
│   ├── asm
│   ├── bin
│   └── elf
├── build.py
├── rust-toolchain.toml
├── src
│   ├── bin
│   ├── console.rs
│   ├── lang_items.rs
│   ├── lib.rs
│   ├── linker.ld
│   └── syscall.rs
└── target
    ├── CACHEDIR.TAG
    ├── release
    └── riscv64gc-unknown-none-elf

框架

目前实现

现在已经实现了OS的基本内核功能，部分系统调用，由于时间有限，现在项目还在飞速开发中。

特点：

• 基于组件化设计实现
• 安全性好

四、未来发展方向

在基于组件化设计和实现操作系统的基础上，进一步完善系统调用，并且向hypervisor虚拟化方向探索。

参考资料

《rCore Tutorial Book v3》 《Riscv手册》 《Operating Systems: Three Easy Pieces》 《rCore-Camp-Guide-2024A》 《深入理解计算机系统》

开源地址

本项目的代码已开源，项目地址：https://github.com/wingrew/bitos