概述
最近看到清華的一個操作系統教程rCore-Tutorial-Book，和其他實驗不同的是，這個教程介紹的是完全從零開始實現一個Riscv操作系統。教程所用的編程語言是Rust，但是我的Rust水平只到勉強能看懂代碼的地步，所以打算用C語言照着實現一遍。雖然說是照着實現，但不同的語言還是會帶來不少細節的不同，相比於同個語言照抄代碼還是能注意到不少平常沒在意的東西。因此開個坑，記錄一下遇到的問題，代碼放在Github上了。由於是練習，代碼寫得比較亂。
第一部分是實現一個最小化內核，即能讓qemu-system-riscv跑起來並輸出Hello world!然后退出就算成功。得益於SBI的幫助，我們可以少研究很多東西。這里大致介紹一下SBI，SBI指的是一套輔助操作系統內核編程的工具，它包含兩部分，一部分是boot loader，即在機器態里初始化裸機上的一些寄存器和硬件設備，把操作系統內核讀取到對應的內存區域，然后進入內核態（Supervisor態，直譯為監管者態，太晦澀，因為是操作系統內核主要運行的特權級，后面均稱內核態），開始執行內核的第一條指令；另一部分是提供內核態的系統調用，在內核態設置好存儲調用號和參數的寄存器，然后執行指令ecall，系統就會進入機器態，由SBI執行一些機器態才能做的操作，然后返回內核態。沒有SBI，機器態相關的代碼就得自己寫了，xv6就是這樣做的，所以xv6除了進程、文件、內存管理這些模塊，還有一些充滿晦澀代碼的模塊，這些就是在處理機器態和硬件相關的操作；riscv-pk的系統引導用的是BBL(Berkeley Boot Loader)，需要機器態做的任務則轉發給spike模擬器的htif模塊，由宿主系統執行這些任務。這里我用的是RustSBI，和教程用的一樣，雖然是用Rust寫的，但是已經打包成二進制文件了，可以直接使用。原先我打算使用qemu自帶的OpenSBI，但是不知道為什么，在調用OpenSBI的退出程序功能時，qemu會報錯，沒法正常退出，RustSBI則不會。
內容
首先是SBI的系統調用，由於涉及寄存器操作，需要用到內聯匯編：
isize sbi_call(usize id, usize a0, usize a1, usize a2) {
isize ret;
asm volatile (
"mv x10, %1\n"
"mv x11, %2\n"
"mv x12, %3\n"
"mv x17, %4\n"
"ecall\n"
"mv %0, x10\n"
:"=r"(ret)
:"r"(a0), "r"(a1), "r"(a2), "r"(id)
:"memory", "x10", "x11", "x12", "x17"
);
return ret;
}
本項目中為了簡化代碼以及與教程保持一致，把unsigned long long定義成usize，long long定義成isize了。這里要注意的是內聯匯編的格式，和Rust不同，C語言不能在內聯匯編的函數中綁定變量和寄存器（如果寫的是x86匯編好像可以，riscv就不行了）（可以在聲明變量的同時指定該變量必須用某寄存器存，但語法比較麻煩），所以需要先把變量存到對應寄存器才可以。這樣最后一個冒號右側的限制符也必須添加上這三個寄存器的名字，否則編譯器可能會編譯出錯誤的代碼，打個比方說，沒有限制符，上面的程序編譯出來的結果可能會在內聯匯編前面用x10存a2，那么進入內聯匯編后程序首先將a0賦給x10，a2就被覆蓋掉了，程序就出錯了。
然后是教程中說的一個bss段清零的操作：
extern char sbss, ebss;
void clear_bss() {
for (char *i = &sbss; i < &ebss; i++) *i = 0;
}
這里sbss、ebss都是來自linker script的符號。符號可以定義在C程序中，可以定義在匯編代碼中，可以定義在linker script中，只要符號的強定義不是在當前C程序，那么對於當前C程序，這個符號可以解釋成任何類型，因為它只是一個位置標識。在上面的代碼中，我把sbss和ebss解釋成linker script中這兩個符號指向的第一個字節，那么就只要對這兩個字節的地址之間的空間清零就行了。教程里面是把兩個符號解釋成地址，我覺得C語言應該也一樣，即下面的寫法和上面應該是等價的：
void sbss();
void ebss();
void clear_bss() {
for (char *i = (char *)sbss; i < (char *)ebss; i++) *i = 0;
}
然后就是這個函數正確編譯需要在編譯選項里加-mcmodel=medany，不然會報錯，具體原因我沒看懂，好像是默認對符號地址有什么限制。
最后是編譯選項，我寫了個makefile：
default: os.bin
riscv64-unknown-elf-gcc os.c printf.c entry.S -T linker.ld -ffreestanding -nostdlib -g -o os -mcmodel=medany
riscv64-unknown-elf-objcopy os --strip-all -O binary os.bin
qemu-system-riscv64 -machine virt -nographic -bios rustsbi-qemu.bin -device loader,file=os.bin,addr=0x80200000
這里-ffreestanding的意思是允許重新定義標准庫里已經有的函數，比如我自己定義了一個printf函數（主要內容是從xv6復制的，這里就顯現出Rust的好了，Rust的格式化輸出是定義在語言內部的，只需要重寫字符串的輸出方式，C的整個格式化都得重寫），和stdio.h那個同名，不加這個編譯選項就會報錯。在編譯完后，需要用objcopy把程序的elf元信息去掉，因為裸機只能理解代碼，不能解析elf格式，經過objcopy后整個文件上來就是二進制代碼，裸機可以直接執行。最后是SBI把內核放到的位置，我放在0x8020_0000，和教程的0x8002_0000不太一樣，相應的linker script里的內容也要改。
順便提一下如何使用gdb調試，首先編譯的時候必須用-g往二進制文件里添加調試符號表，接着在最后執行qemu的時候添加選項-s -S意思是監聽調試端口1234，同時在執行第一句匯編指令前停下來等待gdb連接。然后打開另一個終端，運行riscv-elf-gdb 二進制文件，gdb的程序名不一定是這個，只要是riscv目標版本的都可以，二進制文件指的是沒有經過objcopy，gcc直接編譯出來的文件。進入gdb后運行命令target remote :1234，連上qemu以后就可以進行查看代碼、加斷點、單步執行等操作了。