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Rust OS 教学lab实验的制作 方案设计文档
1 实验目标
- 补全部分Rust OS尚未实现的基础功能
- 从现有Rust OS中裁剪出一个子集用于教学lab
- 参考现有ucore OS实验设计Rust OS教学lab（基于riscv32）并完成相关测试代码的编写
- 完成教学实验说明文档，并补充每一个lab所需的代码注释
- 尝试配置基于浏览器的虚拟机实验环境
2 背景
现有的操作系统大实验是基于ucore OS完成的，总共由8个小实验完成，包含了操作系统从启动到进入shell的全过程，内容包括硬件启动，异常处理，内存管理，进程管理，同步互斥，文件系统等操作系统基础知识点。ucore OS lab已经具有十分完善的教学文档。
ucoreOS lab基于x86结构，主要由C语言完成编写。x86架构由于其向后兼容性等种种原因，整体结构比较复杂，作为教学操作系统门槛比较高。相比较而言riscv32架构简洁高效，易于实现，是教学用cpu结构的不二选择。此外C语言的安全性一直以来饱受诟病。相较C语言，Rust语言更加简洁、安全，模块性好，可复用性强，可以通过采用现有库文件更优雅的解决文件。最重要的是王润基等同学已经参照ucore OS实现了一个比较完整的基于x86_64和riscv32的Rust OS，因此我们决定再次基础上进行完善并裁剪出一个基于riscv32的教学用RustOS lab。
3 实验设计与分工
3.1 完善现有Rust OS基础功能
现有Rust OS在riscv32环境下还存在一些bugs或unimplemented features，要想完成一个类似于ucore OS lab的教学实验框架，首先要把这些漏洞完善。现简单将每个lab目前待完善的地方和负责填坑的人列举如下：
lab1: 主要涉及实验框架的编译、调试，OS bootloader启动过程。现有实验框架已经完成，不需要完善。
lab2: 主要涉及物理内存管理，由于riscv32结构的物理内存管理仅通过一个二级页表来实现，不像x86架构下还需要兼容段表(虽然最终只是一个自映射)，因此这部分比原本的ucore OS lab会更简洁、易理解一些。另外RustOS 的现有物理内存分配算法是通过线段树实现的，且相较原本的内存分配算法复用性更好。本分内容已经完成。
lab3: 该部分实验主要涉及虚存管理部分，目前RUST OS仅针对x86_64结构实现了page fault的处理，后续需要完成riscv32的page fault处理和虚存管理部分。
lab4: 主要涉及内核线程创建和调度，现有框架中本部分内容已经完成，是否存在问题有待后续测试。
lab5: 主要涉及用户线程管理，此部分内容似乎同样已经完成，是否存在问题有待后续测试。事实上之前测试中似乎又提到没有wait过的进程退出内存不会被回收，原因是线程管理Processor还没维护好线程的生命周期，线程退出后没有主动清除对象（考虑到它的子线程们可能还没退出），此部分有待完善。
lab6: 此部分主要涉及进程调度器的相关内容，现有框架中本部分内容已经完成，是否存在问题有待后续测试。
lab7: 主要涉及的是进程间的同步、共享资源的竞争，要求熟悉掌握信号量的原理，管程与条件变量的原理与实现，并用其来解决哲学家问题。但是目前的rustOS-riscv中由于编译器对于原子指令的支持问题，导致相关功能未能实现，需要寻求解决的办法来完善该实验。而且x86_64下该模块与kernel尚未分离，导致结构不够清晰需要进行调整。
lab8: 此部分主要涉及文件系统。文件系统本身的实现并没有包含在仓库当中，而是在另一个仓库wangrunji0408/SimpleFileSystem-Rust当中。注意除了 SimpleFileSystem 本身的实现，文件系统的接口（VFS等）也在该仓库当中，而这一部分需要挪到主仓库当中。除此之外，文件系统的挂载功能也没有被实现，需要完善。另外在riscv32下IDE硬盘驱动似乎暂时不能工作，目前是使用一段内存作为存储空间设备，而该设备的写操作没有实现，而事实上文件系统的写操作也没有被测试。
其中前6个lab现有框架已经实现完成，主要涉及虚存管理和进程管理的部分内容有待完善，此部分计划由刘辰屹来完成。lab7在riscv32下的完善计划由陈秋昊来完成，lab8的完善计划由朱书聪来完成。上述为暂时的分工，实际分工视各部分难度大小再进行调整。
此部分计划在第5周结束前完成。
3.2 教学lab的裁剪和测试程序的编写
此部分内容计划在第6周结束前完成
3.3 教学lab文档编写
此部分内容计划在第7周结束前完成，可能向后顺延至第8周
3.4 在浏览器中运行Rust OS lab
目前没有能够探索到实现此计划的可行性，待定。
4 参考文献
ucore OS lab实验指导书：https://objectkuan.gitbooks.io/ucore-docs/content/index.html
王润基同学的Rust OS开发文档：https://rucore.gitbook.io/rust-os-docs/