第一章

实用工具

# 文件格式
$ file target/riscv64gc-unknown-none-elf/debug/os
target/riscv64gc-unknown-none-elf/debug/os: ELF 64-bit LSB executable, UCB RISC-V, ......

# 文件头信息
$ rust-readobj -h target/riscv64gc-unknown-none-elf/debug/os
   File: target/riscv64gc-unknown-none-elf/debug/os
   Format: elf64-littleriscv
   Arch: riscv64
   AddressSize: 64bit
   ......
   Type: Executable (0x2)
   Machine: EM_RISCV (0xF3)
   Version: 1
   Entry: 0x0
   ......
   }

# 反汇编导出汇编程序
$ rust-objdump -S target/riscv64gc-unknown-none-elf/debug/os
   target/riscv64gc-unknown-none-elf/debug/os:       file format elf64-littleriscv

项目管理

工作空间： taplo.toml 指定 toml 格式化配置；rustfmt 指定 rust 格式化配置；rust-toolchain.toml 指定项目需要具有的工具链；xtask 编写构建流程；.cargo/config.toml 配置 alias 等。如果多个 member 具有不同的 target，就不能在工作空间的 .cargo/config.toml 里面配置 target 而是为每个 member 单独添加配置，但注意.cargo 只有当前工作目录能读取到，从 workspace 工作目录执行 cargo 命令是读不到 member 的.cargo/config.toml 的，于是需要在 xtask 命令行应用里面编写需要构建的 member 及其构建 flags，env 等等

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操作系统指令

这一节的目标是解释 内核在真实硬件或模拟器上是如何启动，并执行第一条指令的。我们从硬件和程序如何到达那条指令的流程开始讲。

计算机硬件基础

任何计算机都由三部分组成：

• CPU（处理器）：按顺序读取、解释并执行指令。
• 物理内存（RAM）：存放指令和数据。
• 外设（I/O 设备）：如键盘、显示器等。

CPU 访问内存的方式类似于读取一个大数组里的元素。对于多数架构（例如 RISC-V），数据访问要满足对齐规则，否则会出错。

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QEMU 模拟器是怎样启动的

在这本教程中，我们使用 QEMU-system-riscv64 模拟一个 RISC-V 机器。

当 QEMU 启动时，它会：

1. 分配物理内存空间。
2. 把 bootloader（二进制文件）加载到内存起始位置。
3. 把我们编译好的 内核镜像（os.bin）加载到指定的地址。

CPU 启动后：

• PC（程序计数器）最初会指向一个固定地址（如 0x1000）。
• 这里其实是 QEMU 内部的一段引导代码，会跳转到 bootloader 开始地址。
• bootloader 初始化硬件之后，再跳转到 我们内核第一条真正要执行的指令。

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为什么内核第一条指令很重要

为了让内核能真正运行：

• 内核必须被 加载到正确的位置。
• 内核编译产出的文件不能直接作为镜像用，需要调整布局，确保第一条指令位置正确。
• 在模拟器里，只有当 PC 跳到这个位置时，我们的内核代码才开始执行。

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程序在内存里的结构

一个程序在内存中不是一堆乱七八糟的字节，它分成几个部分：

• 代码部分（.text）：CPU 要执行的指令。
• 已初始化数据（.data 和 .rodata）。
• 未初始化数据（.bss）：运行时由系统清 0。
• 堆（heap）和栈（stack）：运行时使用的内存。

当我们编译内核时：

1. 编译器把 Rust 代码变成汇编。
2. 汇编器生成机器代码。
3. 链接器将各部分组合成一个最终文件。
4. 最后的文件要经过调整才能当成真正内核镜像。

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函数调用

这一节的目标是解释 为什么内核需要支持函数调用，以及如何让函数调用在 RISC‑V 上正确运行。我们已经成功执行了内核的第一个指令（用汇编写的），接下来希望把控制权交给用 Rust 语言编写的内核代码。为此必须做一些准备工作，包括设置 栈，让函数调用和返回在内核中能够正常工作。

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函数调用的基本问题

当程序调用一个函数时，CPU 必须：

1. 跳转到被调用函数的位置执行它的代码；
2. 等函数执行完毕后 返回到调用点的下一条指令继续执行。

前者跳转地址是固定的，但是 返回的地址只有在运行时才知道。对函数调用来说，需要一种机制来保存返回地址，使 CPU 知道从哪里回来继续执行。

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RISC‑V 如何支持函数调用

RISC‑V 指令集提供了两个支持函数调用的跳转指令：

指令	功能
jal rd, imm	将 PC+4 保存到寄存器 rd，然后跳转到 PC + imm
jalr rd, imm(rs)	将 PC+4 保存到 rd，然后跳转到 rs + imm

这两条指令的特点是 跳转前自动把返回地址存到 rd 寄存器中。在 RISC‑V 中，我们约定将返回地址放在寄存器 ra(x1) 里，这样函数返回时只要跳回 ra 就可以继续执行之前的代码。汇编中我们常用伪指令 ret 来实现这一跳转，它会被翻译成 jalr x0, 0(x1)。

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嵌套调用和寄存器保存的问题

如果只有简单调用，那么用 ra 保存返回地址就够用；但是当函数有 多层嵌套 调用时，ra 会被覆盖，这时返回地址就丢失了。为了解决这个问题，我们必须把要保存的寄存器 保存到内存上（也就是栈）。

使用栈可以让每次调用前保存当前寄存器状态，返回后再恢复。这个保存与恢复过程分两部分：

• 调用者保存（Caller‑Saved）寄存器：调用函数前需要保存，调用返回后再恢复；
• 被调用者保存（Callee‑Saved）寄存器：子函数一开始保存，返回前再恢复；

这样不论函数调用多复杂，寄存器值都不会意外丢失。

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函数调用规范（Calling Convention）

所谓函数调用规范，就是规则定义了：

• 参数和返回值从哪些寄存器传递；
• 哪些寄存器需要调用者保存，哪些需要被调用者保存；
• 如何使用栈等。

在 RISC‑V 上，常用的调用规范里：

寄存器	谁保存	用途
a0 ~ a7	调用者保存	传递函数参数，返回值用 a0/a1
t0 ~ t6	调用者保存	临时寄存器，可随意使用
s0 ~ s11	被调用者保存	程序想保留的寄存器
ra(x1)	被调用者保存	保存返回地址
sp(x2)	被调用者保存	栈指针
fp(s0)	被调用者保存	栈帧指针

gp、tp、zero 等寄存器不是函数调用上下文的一部分。

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栈和栈帧（Stack & Stack Frame）

函数调用使用栈来保存寄存器。栈是一个从高地址向低地址增长的数据区：

• 当函数调用时，分配一块区域来保存当前状态，这叫 栈帧；
• 函数返回时，再把这块区域释放。

栈帧里通常保存寄存器、局部变量等内容。编译器会自动在函数开头生成 Prologue（开场保存寄存器） 和在函数返回前生成 Epilogue（恢复寄存器）。

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内核启动栈的设置

在 entry.asm 里，我们设置了启动栈：

.section .text.entry
.globl _start
_start:
    la sp, boot_stack_top
    call rust_main

.section .bss.stack
.globl boot_stack_lower_bound
boot_stack_lower_bound:
    .space 4096 * 16
.globl boot_stack_top
boot_stack_top: