操作系统实战——QEMU模拟器搭建【rCore 操作系统】

操作系统大作业——QEMU模拟器搭建rCore操作系统

任务描述

使用QEMU模拟器搭建rCore操作系统的实验环境，了解rCore的基本架构和启动流程。在此基础上，编写一个会产生异常的应用程序，并简要解释操作系统的处理结果。要求给出详细的配置过程、程序代码和运行时的截图。

任务分解

1. 搭建 rCore 实验环境：
   • 安装必要的工具（QEMU、Rust 工具链等）。
   • 克隆 rCore 仓库并配置环境。
   • 使用 QEMU 运行 rCore。
2. 了解 rCore 架构和启动流程：
   • 简要分析 rCore 的基本架构。
   • 描述 rCore 的启动流程。
3. 编写产生异常的应用程序：
   • 创建一个用户态程序，触发异常（如非法内存访问）。
   • 集成到 rCore 并运行。
4. 分析操作系统处理结果：
   • 解释异常处理机制。
   • 描述运行结果和预期输出。
5. 提供运行说明和截图指导：
   • 给出运行命令和预期终端输出。
   • 说明如何截图。

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步骤 1：搭建 rCore 实验环境

1.1 环境要求

• 操作系统：推荐 Ubuntu 22.04 或更高版本（其他 Linux 发行版或 WSL2 也可）。
• 硬件：4GB 以上内存，10GB 以上磁盘空间。
• 工具：
  • QEMU（推荐版本 5.0 或以上）。
  • Rust 工具链（支持 RISC-V 目标）。
  • Git、Make、GCC 等基本开发工具。

1.2 安装依赖

1. 配置镜像源

由于下载源的服务器在国外，国内网络环境下载会非常慢，甚至会失败，所以需要先配置一下国内的镜像源。

由于写在一起会很多，这里单独写在了另一篇文章中：
详细配置教程链接Ubuntu中配置【Rust 镜像源】

2. 在 Ubuntu 上执行命令安装必要的工具

# 更新包索引并安装基本工具
sudo apt update
sudo apt install -y git build-essential curl wget libssl-dev pkg-config

# 安装 QEMU
sudo apt install -y qemu-system-riscv64

# 验证 QEMU 版本，需要确保版本为7.0.0以上，否则之后会因为版本过低无法运行rCore，需要升级到7.0.0以上
qemu-system-riscv64 --version

# 安装 Rust 工具链
curl --proto '=https' --tlsv1.2 https://sh.rustup.rs -sSf | sh
source $HOME/.cargo/env

# 添加 RISC-V 目标支持
rustup target add riscv64gc-unknown-none-elf

# 安装 rust-src（用于 rCore 编译）
rustup component add rust-src --toolchain nightly

# 安装 cargo-binutils（用于生成二进制文件）
cargo install cargo-binutils
rustup component add llvm-tools-preview

1.3 克隆 rCore 仓库

1. 安装配置 git

方式一：

这里需要使用到版本控制工具 git ，请确保你的实验机器（Ubuntu虚拟机）中已经安装了git，并且已经配置完成（能与GitHub正常建立连接）。

注：博主自己在做实验的时候，使用https协议克隆仓库会失败，只能使用ssh协议克隆才能成功，所以建议读者也直接使用ssh协议进行克隆，而且这也是GitHub官方推荐的克隆方式。

由于写在一起会很多，这里单独写在了另一篇文章中，这里也附上Ubuntu中使用SSH协议克隆的教程链接：使用SSH协议克隆详细步骤

方式二：
如果读者之前没有接触过git，或者不是很熟悉，不想在这里折腾的话，你可以直接用自己的本地主机（你自己的电脑，而非虚拟机）先登录GitHub找到rCore的仓库（项目地址：https://github.com/rcore-os/rCore-Tutorial-v3），将压缩包下载下来（如下图所示），然后再从本地主机上传到你的虚拟机上，然后再进行解压缩，也能得到rCore的项目代码。

2. 克隆 rCore 仓库

rCore 是一个基于 Rust 语言的教学操作系统，支持 RISC-V 架构。我们这里使用 rCore-Tutorial-v3：

# 克隆 rCore-Tutorial-v3 仓库
git clone [email protected]:rcore-os/rCore-Tutorial-v3.git
cd rCore-Tutorial-v3

1.4 配置和编译 rCore

rCore 使用 Rust 编写，编译需要指定目标架构为 RISC-V。

# 进入内核目录
cd os

# 编译内核
make build

# 运行 QEMU 模拟 rCore
make run

预期输出：

• 编译完成后，make run 会启动 QEMU，模拟 RISC-V 64 位架构。

• 终端将显示 rCore 启动日志，例如：

  [kernel] Booting rCore...
  Lilliputian
  [kernel] Hello, world!
  ...
  

• 你将看到 rCore 的 shell 提示符，说明环境搭建成功。

1.5 验证环境

运行 make run 后，确认 rCore 正常启动并进入用户 shell。尝试运行一些基本命令（如启动之后列出的程序 hello_world、cat）以验证环境正常。

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步骤 2：了解 rCore 架构和启动流程

2.1 rCore 基本架构

rCore 是一个基于 Rust 语言的微内核操作系统，专为教学设计，支持 RISC-V 架构。它的主要模块包括：

• 内核（Kernel）：
  • 负责初始化硬件、管理内存、调度进程和线程、处理中断和异常。
  • 提供系统调用接口，供用户态程序使用。
• 文件系统（File System）：
  • 实现简单的文件系统，支持基本的文件读写操作。
  • 基于 FAT32 格式，挂载到虚拟磁盘上。
• 进程管理（Process Management）：
  • 支持多进程和线程，基于优先级调度。
  • 使用上下文切换实现并发执行。
• 内存管理（Memory Management）：
  • 实现虚拟内存、页面映射和动态内存分配。
  • 支持页面置换算法（例如 FIFO）。
• 异常和中断（Exception and Interrupt）：
  • 处理硬件中断（如定时器中断）和软件异常（如非法指令、内存访问错误）。
  • 使用异常处理机制恢复或终止进程。
• 用户态库（User Libraries）：
  • 提供标准 C 库（libc）的子集，支持基本的 I/O、字符串处理和内存操作。
  • 包含简单的 shell 和测试程序。

2.2 rCore 启动流程

rCore 的启动流程如下：

1. 硬件初始化：
   • QEMU 加载 rCore 内核镜像到内存。
   • 初始化 CPU 寄存器、栈指针和全局指针。
2. 内核初始化：
   • 设置中断控制器和定时器。
   • 初始化内存管理单元（MMU），启用虚拟内存。
   • 加载文件系统和设备驱动。
3. 进程初始化：
   • 创建第一个用户进程（init 进程）。
   • 加载用户 shell 和测试程序。
4. 进入用户态：
   • 切换到用户模式，运行 shell。
   • 用户可以通过 shell 执行命令或运行程序。

启动日志分析：

• 运行 make run 时，观察日志中的关键步骤，例如：
  • [kernel] Initialize interrupt controller
  • [kernel] Setup virtual memory
  • [kernel] Mount filesystem
  • [kernel] Start init process
  • [user] Welcome to rCore shell

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步骤 3：编写产生异常的应用程序

（仅供参考）编写一个简单的用户态 C 程序，尝试访问非法内存地址，触发段错误（Segmentation Fault），并观察 rCore 的处理结果。

3.1 创建用户程序

在 rCore-Tutorial-v3/user/src/bin 目录下创建文件 segfault.c：

#include 

int main() {
    // 尝试写入非法内存地址
    int *ptr = (int *)0xdeadbeef;
    *ptr = 42; // 触发段错误
    
    printf("This line should not be reached.\n");
    return 0;
}

3.2 编译运行C语言异常程序

1. 下载RISC-V 交叉编译器（riscv64-linux-gnu-gcc），以手动编译C语言程序

sudo apt install riscv64-linux-gnu-gcc

验证安装：

riscv64-linux-gnu-gcc --version

2. 编译

在 user/src/bin/ 下编译 segfault.c：

cd ~/rCore-Tutorial-v3/user/src/bin
riscv64-linux-gnu-gcc -static -march=rv64g -mabi=lp64d -o segfault segfault.c

说明：

• static：生成静态链接的可执行文件，避免依赖动态库。
• march=rv64g：针对 RISC-V 64 位架构。
• mabi=lp64d：使用 LP64D ABI（long, pointer 为 64 位，double 为 64 位）。

3. 转换为二进制格式:

   使用 riscv64-linux-gnu-objcopy 将 ELF 文件转为二进制：

   riscv64-linux-gnu-objcopy -O binary segfault segfault.bin
   

4. 移动到目标目录

   将 segfault 和 segfault.bin 移动到 编译输出目录：

   mv segfault ~/rCore-Tutorial-v3/user/target/riscv64gc-unknown-none-elf/release/
   mv segfault.bin ~/rCore-Tutorial-v3/user/target/riscv64gc-unknown-none-elf/release/
   

5. 更新文件系统

   返回 os 目录，重新打包文件系统：

   cd ~/rCore-Tutorial-v3/os
   make clean
   make build
   

6. 运行并测试 运行 rCore：

make run

预期输出：

• 触发异常。

• rCore 检测到非法内存访问，终止程序并返回 shell。

• 输出类似于：

  [kernel] Exception: Store/AMO access fault at 0xdeadbeef
  [kernel] Process terminated
  

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步骤 4：分析操作系统处理结果

4.1 异常处理机制

rCore 的异常处理流程如下：

1. 异常检测：
   • CPU 检测到非法内存访问（0xdeadbeef 不在合法地址空间）。
   • 触发异常，保存当前程序计数器（PC）和异常原因到寄存器。
2. 中断处理：
   • 内核的中断控制器捕获异常，调用异常处理程序。
   • 根据异常类型（Store/AMO access fault），决定处理策略。
3. 进程终止：
   • 对于不可恢复的段错误，内核终止进程。
   • 释放进程的资源（如内存、文件描述符）。
   • 返回到 shell，打印错误信息。
4. 日志记录：
   • 内核记录异常的详细信息（如地址 0xdeadbeef 和异常类型）。

4.2 运行结果解释

• 程序行为：segfault 程序尝试写入非法地址，触发硬件异常。
• 内核反应：rCore 正确识别异常，终止进程以保护系统稳定性。
• 用户体验：用户收到错误提示，系统恢复到 shell 状态，未受进一步影响。
• 健壮性：rCore 的异常处理机制确保单一程序的错误不会导致系统崩溃，体现了微内核设计的安全性。

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步骤 5：运行说明和截图指导

5.1 运行命令

以下是关键命令的汇总：

# 安装依赖
sudo apt install -y qemu-system-riscv64 git build-essential curl
curl --proto '=https' --tlsv1.2 -sSf https://sh.rustup.rs | sh
rustup target add riscv64gc-unknown-none-elf
rustup component add rust-src --toolchain nightly
cargo install cargo-binutils
rustup component add llvm-tools-preview

# 克隆和编译 rCore
git clone https://github.com/rcore-os/rCore-Tutorial-v3.git
cd rCore-Tutorial-v3
git checkout Book
cd os
make build
make run

# 运行 segfault 程序
# 在 rCore shell 中输入：
segfault

5.2 预期终端输出

• 启动 rCore：

  [kernel] Booting rCore...
  [kernel] Initialize interrupt controller
  [kernel] Setup virtual memory
  [kernel] Mount filesystem
  [kernel] Start init process
  [user] Welcome to rCore shell
  

• 运行 segfault：

  segfault
  Attempting to access invalid memory...
  [kernel] Exception: Store/AMO access fault at 0xdeadbeef
  [kernel] Process terminated
  

5.3 截图指导

在运行 make run 和 segfault 时，截取以下终端输出：

1. rCore 启动日志：显示从 [kernel] Booting rCore... 到 [user] Welcome to rCore shell 的完整日志。
2. segfault 运行结果：显示 segfault 命令的输入和异常终止的输出。
3. QEMU 窗口（可选）：如果 QEMU 打开图形界面，截图显示 rCore shell 界面。

截图工具：

• Ubuntu：使用 gnome-screenshot 或 scrot。
• 命令：scrot screenshot.png
• 确保截图清晰，包含完整的终端窗口或 QEMU 界面。

保存和提交：

• 将截图保存为 PNG 或 JPEG 格式，命名为 rcore_boot.png 和 segfault_output.png。
• 提交时附上截图和代码文件 segfault.c。

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注意事项

• 常见问题：

  • QEMU 未安装或版本过旧：确保使用 qemu-system-riscv64 且版本 ≥ 5.0。
  • Rust 工具链配置错误：运行 rustc --version 和 cargo --version 确认安装成功。
  • 编译失败：检查 make build 的错误日志，可能缺少依赖或目标架构未设置。
  • 异常未触发：确保 segfault.c 中的地址 0xdeadbeef 未被意外映射到合法内存。

• 调试：

  • 使用 make debug 启动 QEMU 并连接 GDB，检查异常时的寄存器状态。

  • 示例 GDB 命令：

    target remote :1234
    info registers
    backtrace
    

• 性能优化：

  • 如果 QEMU 运行缓慢，增加 -smp 4 参数以使用多核。
  • 示例：make QEMU_ARGS="-smp 4" run

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总结

通过以上步骤，已成功：

1. 搭建了 rCore 的 QEMU 实验环境。
2. 了解了 rCore 的架构和启动流程。
3. 编写并运行了一个触发段错误的程序。
4. 分析了 rCore 的异常处理机制。
5. 获得了运行结果的截图指导。