总前言

操作系统是大二下学期的一门核心专业课，实验部分分为6个实验（Lab1 ~ Lab6）。采用增量式实验设计思想，每个实验包含的内核代码量在几百行左右，并提供了代码框架和代码示例，要求阅读源码、理解机制并补全核心代码。每个实验可以独立运行和评测，最后实现一个可以在MIPS平台上运行的小型操作系统。以此专题，纪念大二下的每个“备受折磨”的日夜，重温操作系统的核心理念。 实验代码仓库位于OS_on_MIPS.

总流程：实验编写的操作系统代码在Linux系统中，通过Makefile组织，通过交叉编译产生可执行文件；再使用QEMU模拟器运行该可执行文件，实现MOS操作系统的运行。

内核与启动

内核是操作系统最核心的部分，负责与硬件直接交互，并为用户进程提供服务。在计算机启动时，内核需要被加载到内存中，但不宜放在磁盘（CPU无法直接从磁盘访问数据）或内存（易失性）中，因此放在一个非易失性存储器中（如ROM或FLASH）。不过，将操作系统直接放入ROM或FLASH会面临以下几个问题： 1. 存储空间限制： ROM或FLASH的存储空间有限，无法存放较大的内核; 2. 只能启动一个操作系统： 若操作系统内核直接从ROM或FLASH启动，无法实现多重启动。 3. 移植性受限： 将所有硬件相关代码放入内核中，不利于系统的移植。

Bootloader

为了解决这些问题，设计者将硬件初始化工作独立为bootloader程序，并将其保存在ROM或FLASH中，而将操作系统内核保存在磁盘上。Bootloader工作分为两个阶段： 1. Stage 1：硬件加电 -> Stage 1 Bootloader（ROM/FLASH中） * 硬件初始化（如时钟、中断、内存等）； * 将Stage 2的代码加载到RAM中，并跳转到Stage 2的入口点。

  1. Stage 2：Bootloader（RAM中）
  • 初始化其他硬件设备
  • 加载操作系统内核镜像到RAM
  • 设置启动参数，并将控制权交给操作系统内核
  1. （不属于Bootloader）：

BootLoader的操作模式分为：启动加载模式（从本地存储器（如硬盘）加载内核镜像）和 下载模式（通过串口或网络等方式下载远程内核镜像）。

总结：Bootloader 是操作系统启动的第一步，负责硬件初始化和内核加载。

QEMU模拟器

在QEMU模拟环境中，由于QEMU模拟器提供bootloader的启动功能（模仿了YAMON的功能）；支持直接加载ELF内核的内存，因此上述都不是问题啦。我们的MOS操作系统，从跳转到内核入口开始的。 > 疑问：bootloader如何找到内核入口点呢？ > > 解答：Bootloader中的引导加载程序，会解析内核映像的信息，找到内核入口点地址，将其写入某个寄存器（如跳转寄存器）；通过执行跳转命令，CPU从该寄存器中读取地址，从而跳转至内核入口。

从零开始搭建MOS

构建内核：从make开始

Makefile为内核地图

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include.mk

target_dir := target #MOS构建目标所在目录
mos_elf :=$(target_dir)/mos #最终需要生成的ELF可执行文件
user_disk := $(target_dir)/fs.img #MOS文件系统使用的磁盘镜像文件
link_script := kernel.lds

modules :=libinit kern #需要生成的子模块
objects :=$(addsuffix /*.o,$(modules)) #要编译出内核所依赖的所有目标文件（*.o）

QEMU_FLAGS :=-cpu4Kc-m64-nographic-Mmalta\
            $(shell[-f'$(user_disk)'] &&\
            echo'-driveid=ide,file=$(user_disk),if=ide,format=raw') \
            -no-reboot #QEMU运行参数

.PHONY:all $(modules) clean

在命令行执行make后，在target目录下生成内核镜像文件mos，步骤如下： 

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targets:=$(mos_elf)

all:$(targets)

$(modules):
    $(MAKE)--directory=$@

$(mos_elf): $(modules)
    $(LD) $(LDFLAGS)-o$(mos_elf)-N-T$(link_script) $(objects)
    # 调用了链接器，将之前构建各模块产生的所有.o文件在linkerscript的指导下，链接到一起，产生最终的mos可执行文件
##### 构建MOS依赖项 1. 执⾏make->构建⽬标all->构建all的依赖项$(targets)->构建$(mos_elf)->构建$(modules)

  1. 对 $(modules) 中的每个⽬录执⾏⼀次 $(MAKE) --directory=$@ .，看⻅形如：make[1]: Entering directory '/home/git/xxxxxxxx/init' 的输出。$(modules)包含的内容如下： 
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    modules :=lib init kern
    targets :=$(mos_elf)

    lab-ge= $(shell [ "$$(echo$(lab)_|cut-f1-d_)" -ge$(1) ] &&echotrue)

    ifeq($(calllab-ge,3),true)
        user_modules +=user/bare
    endif

    ifeq($(calllab-ge,4),true)
        user_modules +=user
    endif

    ifeq($(calllab-ge,5),true)
        user_modules +=fs
    targets +=fs-image
    endif

    objects :=$(addsuffix/*.o, $(modules))$(addsuffix /*.x,$(user_modules))
    modules +=$(user_modules)
    • $(modules) 包含：lib ,init ,kern 这三个构建⽬标，分别对应依赖库、初始化代码和内核代码。
    • $(user_modules)是一个可选的构建目标，它的构建取决于lab变量的值。
    将组合好的$(modules)和$(user_modules)的内容对应的生成文件，赋值给$(objects)
构建MOS
  1. $(mos_elf) 构建：执⾏$(LD) -o $(mos_elf) -N -T $(link_script) $(objects)
    • -o --output :设置输出⽂件名
    • -T --script :读取链接脚本
    使⽤$(link_script) 将$(objects) 链接，输出到$(mos_elf) 位置.
  2. 将组合好的 $(modules) 和$(user_modules) 的内容对应的⽣成⽂件赋值给$(objects)
    • objects :将⽤户程序和内核程序的⽬标⽂件，分为不同的后缀保存;
    • modules: 设置$(modules) 为所有需要依赖的构建⽬标
  3. $(mos_elf) 下可查看内核⽂件

内核的入口

QEMU模拟器在加载内核时：按照可执行文件中所记录的地址，将内核中的代码、数据，加载到相应的位置，并将CPU控制权移交给内核。那么抛出两个问题： 1. 内核应该被放在哪里呢？ 2. 如何将内核加载到上述位置呢？

寻找内核的正确位置：MIPS内存布局

内核放在kseg0.

MIPS 体系结构的虚拟地址空间大小为4GB，布局如下图：

区域 可用性 地址映射 存取方式
kuseg 用户态 唯一可MMU的TLB：虚拟地址 -> 物理地址 通过cache
kseg0 内核态 MMU将虚拟地址最高位清零，得到物理地址（连续映射至物理地址低512MB空间） 通过cache
kseg1 内核态 MMU将虚拟地址高三位清零，得到物理地址（连续映射至物理地址低512MB空间） 不通过cache（使用MIMO访问外设）
kseg2 只能在内核态使用 MMU的TLB：虚拟地址 -> 物理地址 通过cache

控制加载地址：Linker Script

从上一节生成MOS的第3步中，可见：是使⽤$(link_script) 将$(objects) 链接，生成可执行文件。这里的$(link_script)即kernel.lds，其中记录了各个节应该如何映射到段，以及各个段应该被加载到的位置。包括以下段： * .text：包含可执行文件中的代码 * .data：包含需要被初始化的全局变量和静态变量 * .bss：包含未初始化的全局变量和静态变量

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OUTPUT_ARCH(mips)   // 架构：MIPS
ENTRY(_start)       // 设置MOS内核入口地址为：_start

SECTIONS {
	. = 0x80000000;
	.tlb_miss_entry : {*(.text.tlb_miss_entry)}

	. = 0x80000180;
	.exc_gen_entry : {*(.text.exc_gen_entry)}

	. = 0x80020000;     // .text段的加载地址

	.text : { *(.text) }

    .data : { *(.data) }

	bss_start = .;
	.bss : { *(.bss) }
	bss_end = .;
	. = 0x80400000;
	end = . ;
}

MOS内核入口：_start

从上一小节可知：kernel.lds中设置了MOS内核入口ENTRY(_start)，对应init/start.S中的_start函数，如下： 

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#include <asm/asm.h>
#include <mmu.h>

.text
EXPORT(_start)
.set at
.set reorder    // 启用指令重排：MIPS编译器自动重排指令以优化性能，减少流水线阻塞

	/* 清空 .bss 段：清零后跳转至clear_bss_done */
	la      v0, bss_start
	la      v1, bss_end
clear_bss_loop:
	beq     v0, v1, clear_bss_done
	sb      zero, 0(v0)
	addiu   v0, v0, 1
	j       clear_bss_loop

clear_bss_done:
	/* 禁用中断 */
	mtc0    zero, CP0_STATUS

	/* 将sp寄存器设置到：内核栈的起始地址 */
       	la	sp, 0x80400000
	
	/* 跳转到 mips_init：内核初始化的入口点，执行内核的后续初始化工作 */
	j	mips_init
> 注： > 1. 栈由高地址向低地址方向增长，sp应设置到栈底（即“顶”）； > 2. j mips_init采用j而非jal，是因为不存在返回的情况。

内核初始化：mips_init函数

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#ifdef MOS_INIT_OVERRIDDEN
#include <generated/init_override.h>
#else
void mips_init(u_int argc, char **argv, char **penv, u_int ram_low_size) {
	printk("init.c:\tmips_init() is called\n");

}
#endif

结尾

经过以上步骤，命令行执行make run，编译运行内核，MOS操作系统可以正常运行起来啦！

下一个Lab，将进入MIPS 4Kc的访存流程与内存映射布局，深入物理内存、虚拟内存的管理办法，以及TLB的清除与重填流程。