From 2ffa2364147d7fd73a19a74b7e56fd2c5c14059e Mon Sep 17 00:00:00 2001
From: WangRunji <wangrunji0408@163.com>
Date: Thu, 12 Apr 2018 15:53:34 +0800
Subject: [PATCH] Add mid report

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+# 方案设计文档——RustOS
+
+2018.04.12
+
+王润基 朱书聪
+
+## 选题概述
+
+Rust是一门新兴的系统级编程语言。它引入了全新的内存管理模型，在无GC的环境下解决了C/C++中长期存在的内存安全问题。同时，它也支持不安全的底层操作，能和C语言方便交互。另一方面，它提供高级别的零开销抽象，拥有现代语言特性，能够胜任编写复杂逻辑。这些特性使得Rust非常适合编写OS。
+
+因此我们的基础目标是和其它小组合作，将ucore用Rust重写，使之更加安全和模块化。
+
+为了充分发挥Rust的语言特性，我们还希望OS支持对称多处理器（SMP）。众所周知，并发编程会带来数据竞争问题，给安全和效率造成很大挑战。而Rust的内存模型能够保证线程安全，适合解决这一问题。
+
+所以我们进一步的目标是使用Commuter对OS的并行度进行测试，然后参考sv6进行SMP优化。
+
+## 已经完成的调研工作
+
+### Rust for RISCV
+
+* RISCV-Rust-Toolchain：
+  * Docker：tarcieri/riscv-rust-toolchain
+  * 与之配合的开发环境：riscv-crates
+  * 目前无法编译，还在开发中
+
+鉴于这套工具链刚刚诞生，非常不稳定，坑太多，因此我们不再考虑移植到RISCV。
+
+### RustOS
+
+* 《Writing an OS in Rust》& blog_os：
+  * 从零开始写RustOS的教程，平台x86_64
+  * 目前实现了Boot，页式内存管理，中断管理
+  * 已经读完了全部文章，能够在本机和Docker中编译运行
+* Redox：
+  * 完成度最高的RustOS，微内核架构，平台x86_64
+  * 有GUI，有自己的FS，有用户程序开发环境
+  * 正在阅读kernel代码，已经在Docker中完成编译
+
+### 待移植/参考OS
+
+* xv6：ucore的起源项目，非常精简，但支持SMP。用来理解OS的整体运行机制。
+* xv6 x86_64：对比与xv6的不同，参考其x86_64的实现。
+* ucore_os_lab：待移植的主体。
+* ucore_plus：参考其x86_64的实现。
+* sv6：参考其多核优化的实现。
+
+### Rust与编写OS相关的平台特性
+
+* 库：
+  * Rust提供标准库std和核心库core，core包含于std
+  * 写OS不能使用std，可以使用core，需用xargo代替cargo编译
+  * core提供了最基础的语言特性支持，字符串格式化输出等基础函数，只需指定全局内存分配器，即可享用Vec/Box等大量内置数据结构
+* 内联汇编：
+  * 格式类似C语言
+  * x86(_64)已经有封装好的库，无需手动编写
+* Rust-C互操作：
+  * C语言绑定：
+    * bindgen工具：自动生成C模块的Rust接口
+      * 默认依赖std库，但似乎可以手动替换类型去掉依赖
+      * 已经尝试完成了对xv6的绑定
+    * 直接导入符号
+      * 写一个`build.rs`在build时同时编译C代码并链接
+      * 已经写了一个样例集成到项目中了
+  * C对Rust的绑定：
+    * 通过简单的`extern "C"`+`no_mangle`即可完成
+  * C直接生成Rust：Corrode
+    * 在macOS上尝试构建失败
+  * Port C to Rust 经验谈：
+    * https://github.com/carols10cents/rust-out-your-c-talk
+* 测试：
+  * 对于使用std的项目，可以快速通过`cargo test`进行单元测试，`cargo bench`进行性能测试
+  * 由于OS运行在qemu环境中，因此无法使用这个测试框架
+  * 但可以运行集成测试（类似ucore），目前已经在Travis上配置完毕
+  * 另一方面，可以把不依赖OS环境的模块提取成crate，就可以测试了
+    * 例如Redox kernel就把stub_allocator和syscall模块提取出来
+* 坑：
+  * 除了经常过不了编译以外，还没遇到大坑。Rust大法好。
+
+## 已经完成的编码工作
+
+* 准备开发环境
+
+  根据对RustOS的调研情况，我们计划直接在blog_os的基础上进行开发。目前已经配置好了本地环境，Docker，Travis。
+
+* 熟悉Rust语言和生态特性
+
+  实现了C语言绑定，在线集成测试。
+
+  已经完成了一些OS底层驱动的移植（VGA，Serial，ACPI）。
+
+## 接下来需要做的工作
+
+### 综述
+
+blog_os只实现了页式内存管理和中断，提供了一个RustOS的基础框架。在此基础上，针对ucore的每个lab，还需补全以下内容：
+
+* **lab1：**
+
+  * 修改虚拟地址的映射，使之与ucore匹配。
+  * 补全底层驱动（键盘、串口、APIC），重点是能产生时钟中断。
+    * 这部分大都是直接操作内存，可以直接链接C代码，以尽快跑起来，之后再用Rust重写。
+
+* lab2/3：内存管理
+
+  * 物理内存分配器目前只分配不回收，需要完善
+  * 页式内存管理没有实现替换机制，需要实现
+
+  *注：由于只是要完善，不影响后面的工作*
+
+* **lab4/5/6：进程管理**
+
+  * 进程管理和调度需要重新设计、整体移植
+
+* lab7：同步互斥
+
+  * 基本的同步机制Rust标准库已经提供
+
+* **lab8：文件系统**
+
+  * 对底层依赖不大，可以独立出去完成（参考Redox的FS）
+
+支持SMP主要依赖进程管理模块，文件系统部分委托合作小组完成。
+
+### 分工
+
+* 王润基：主要负责前期ucore移植
+* 朱书聪：主要负责后期SMP优化
+
+### 计划
+
+* Week7：完成底层硬件的移植，能跑lab1
+* Week8：完善物理/虚拟内存管理，能跑lab2/3
+* Week9：移植内核线程、用户进程、调度，能跑lab4/5/6
+* Week10：支持SMP，配置Commuter生成代码
+* Week11：SMP优化
+* Week12：SMP优化
+* Week13：SMP优化
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