实验八：扩展实验¶

实验任务与要求¶

首先，祝贺你已经顺利完成了前面的实验，你已经拥有了一个基本的操作系统内核，它可以在 QEMU 中运行，并且可以通过串口输出进行交互。

它有自己的进程管理机制，可以从磁盘中加载用户程序进行执行；它有自己的同步互斥机制，可以让多个线程安全地访问共享资源；它有自己的内存管理机制，可以在内核态和用户态之间进行内存的分配和释放。

在这个实验中，你需要在这个基础上，自主实现一些更加有趣的功能，例如图形输出、文件系统、内存分配、块设备缓存层等。

请从下列任务中，选择一到两个目标进行实现：

VGA 显示输出¶

串口输出只是最基本的交互方式，尝试在 bootloader 中，利用 get_handle_for_protocol::<GraphicsOutput> 获取到 VGA 显示的模式、分辨率、缓冲区地址等信息。

之后通过利用 embedded-graphics 等库，实现一个简单的图形输出驱动，赋予操作系统绘制图形的能力，之后实现一个简单的 Shell 显示，并激活键盘输入的驱动，通过和串口启动共享缓冲区的方式，响应键盘输入。

实现目标¶

1. 在 bootloader 中，获取图形输出的相关信息，并传递给内核。
2. 实现一个简单的图形输出驱动，支持基本的 VGA 图形绘制操作。
3. 利用 embedded-graphics 实现字符渲染。
4. 为 VGA 显示实现一个 Shell 输出，使其能够输出字符、清屏等，并将其对接到合适的日志输出。

加分项¶

1. 利用键盘输入中断，为 QEMU 的 GUI 界面实现输入输出。
2. 尝试将 Shell 部分限制在屏幕的下半部分，并在上半部分实现一些图像的绘制。作为一个例子，你可以利用 sleep 等方式，实现一个不断绘制转动的钟表的进程，并让它作为一个后台进程运行。

可读写的临时文件系统¶

根据现有的其他 OS 实验中的文件系统设计、或参考现有的文件系统设计，结合你学过的算法、组织数据的方式，实现一个简单的文件系统的驱动。

可以是目录结构文件系统（例如参考 FAT32），可以是日志文件系统（例如参考 ext4、NTFS）。实现之后利用帧分配器在操作系统初始化分配一段内存空间，将其作为块设备，使用你的文件系统对其进行格式化、挂载、读写等操作。为了更好的实现你可能需要适当增大启动 OS 的内存量。

实现目标¶

1. 将启动目录挂载至 /boot 目录下。
2. 将临时文件系统挂载至 /tmp 目录下。
3. 创建 /tmp/mydir 目录。
4. 创建 /tmp/mydir/hello.txt 文件。
5. 向 /tmp/mydir/hello.txt 文件写入一段字符序列，包含你的学号。
6. 读取 /tmp/mydir/hello.txt 文件，将其中的字符序列打印到屏幕上。

加分项¶

1. 尝试实现文件系统的硬链接，并测试读写操作。
2. 修改 QEMU 参数，挂载一块虚拟磁盘，尝试实现文件的持久化。

内存管理算法¶

在上次实验实现了堆内存的分配和释放后，用户态有了自己的能力去管理自己的页面，但是其实际的动态内存分配还是依赖于内核提供的服务。

在这个实验目标中，你可以尝试实现一些内存管理算法，例如 Buddy 算法、Slab 算法等，将其作为内存分配器，为用户态提供更加灵活的内存分配服务。

不过，在这一目标中，你大概率需要一个链表，你可以找一些现成的实现，或者选择完全的自己实现。

实现目标¶

1. 在 crates 下添加一个独立的新 package，用于实现能够测试的内存分配器。
2. 参考 storage 包进行测试配置，并配置好 no_std 等属性。
3. 在其中实现你的内存管理算法，参考 LockedHeap 的内存初始化方式，管理一段内存。
4. 在 lib 中为你的内存分配器声明一个 feature，并将它声明为 #[global_allocator]。
5. 编写测试程序，并测试你的内存分配器能否正确分配内存。

加分项¶

1. 成功利用 brk 和你自己实现的内存分配器，实现用户态的内存管理。
2. 尝试让你的内存分配器支持调用 brk 进行扩容。

块设备的缓存层¶

在 storage 包中，基于目前已有的实现，实现一个块设备的缓存层。

这里给出一个缓存设备结构体的设计参考：

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pub struct CachedDevice<B, C>
where
    B: BlockTrait,
    C: CacheManager<B>,
{
    cache: C,
    device: Arc<dyn BlockDevice<B>>,
}

其中，CacheManager trait 定义缓存层的缓存管理器，在预期的实现中，你并不需要在这里实现具体的缓存算法和数据结构，而将其留在 kernel 中实现。

实现目标¶

1. 对设备缓存层、缓存管理器、缓存块进行抽象，并进行泛型设计。
2. 缓存管理器提供缓存块的获取、存储能力。
3. 缓存块实现脏数据标记、缓存块的读写，并为自身实现 Drop 时的自动写回。
4. 为设备缓存层实现 BlockDevice<B> trait。
5. 在内核中定义实际的缓存结构体，为它实现缓存管理器的相关功能。
6. 在最后的实现中，你应当能够将缓存层作为 Fat16 的 inner。

加分项¶

1. 向操作系统暴露缓存的使用情况，并在系统状态中进行展示。
2. 验证缓存是否能带来一定的性能提升，设计相关测试并记录输出。

多核进程调度¶

在之前的实现中，进程只会在同一个核心上被调度执行，而在实际的多核系统中，多个核心可以并行地执行多个进程。

在这个目标中，你需要实现一个简单的多核调度器，使得内核能够在多个核心上调度多个进程。

实现目标¶

1. 修改 apic 初始化部分，利用 cpuid 使得它能够在多核系统中正确初始化多个 LAPIC。
2. 初始化部分建议查阅文档，并参考其他现有的实现。
3. 尝试实现操作系统的多核调度，并进行适当的日志显示。
4. 尝试在用户态验证，并输出运行的核心序号、进程 ID 等。

加分项¶

1. 尝试实现进程亲和性，使得进程能够在特定的核心上运行。
2. 实现多核多队列模型，或尝试实现任一负载均衡算法（二选一）。

TCP/IP 网络协议栈¶

在这个目标中，你需要实现基础的 TCP/IP 网络协议栈，包括 ARP、IPv4、ICMP、TCP、UDP 协议的支持，使得你的操作系统能够通过网络与宿主机、互联网交互。为了避免重复造轮子，我们使用 virtio-drivers 和 smoltcp 开发，它们分别是当前 Rust 社区最为成熟的面向嵌入式或裸机环境的 VirtIO 设备驱动和 TCP/IP 网络协议栈实现。

首先修改脚本将启动 QEMU 的参数中的 -net none 改为如下，这将添加 VirtIO 网络设备到虚拟机 PCI 总线上，将宿主机 TCP 5555 端口转发到虚拟机的 5555 端口：

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-netdev user,id=net0,hostfwd=tcp::5555-:5555,hostfwd=udp::5555-:5555 \
-device virtio-net-pci,netdev=net0,mac=52:54:00:12:34:56  # 指定一个任意的 MAC

前面的实验外设都是通过串口连接的，你可以在 PCI 总线中了解 PCI 总线通信的基础知识。在现代的 VirtIO 1.0+ 版本下，网卡的厂商标识（Vendor ID）为 0x1AF4，设备标识（Device ID）为 0x1041。

实现目标¶

整体的实现思路分为如下目标：

1. 创建新的数据结构 VirtioHal 实现 virtio-drivers::Hal trait，包括连续物理内存（DMA）的分配与释放、MMIO 物理地址向虚拟地址的转换等功能，这是使用网卡驱动 virtio_drivers::device::net::VirtIONet 的前提。

2. 创建新的数据结构 VirtIONetDevice 作为网卡设备的抽象。利用网卡驱动 virtio_drivers::device::net::VirtIONet 为 VirtIONetDevice 实现 smoltcp::phy::Device trait，这样就可以使用 smoltcp 提供的上层网络协议栈功能。

3. 初始化内核的时候扫描 PCI 总线找到 virtio-net 设备，创建并使用 VirtIONetDevice 来创建 smoltcp::iface::Interface 作为网络接口。

4. 创建新的数据结构 Socket 作为 ysos_kernel::utils::resource 所定义的 Resource 中的一个新的扩展资源类型，它将对应 smoltcp::socket::Socket 使得我们能够利用 smoltcp 提供上层的 ARP、IP、TCP/UDP 协议功能。

   • 推荐用 smoltcp::iface::SocketSet 存储（单个网络设备的）全部套间字，Resource 仅存储一个引用，这样的好处是可以方便 poll() 的调用；

   • 或者直接使用 smoltcp::socket::Socket 作为 Socket，在调用 poll() 的时候需要收集所有进程的资源表中的 Socket；

5. smoltcp 是单线程协作式调度，smoltcp::iface::Interface::poll() 需要在单个线程中定期调用才能推进协议栈状态，所以需要在内核主循环或定时中断处理程序中轮询网络接口，对每一个网络接口调用 poll() 处理它们的全部套间字。

6. 在内核态验证网络功能，尝试通过宿主机的 5555 端口和内核交互。

加分项¶

1. 利用 smoltcp 支持更多的网络协议，例如 DHCP、IPv6、ICMPv6 等。
2. 实现网络相关系统调用，包括 Socket 资源的创建、建立连接、发送数据、接收数据等。
3. 利用上面所实现的系统调用，在用户态编写网络测试程序验证网络相关功能。

参考资料¶

• PCI 总线
• OSDev: Virtio
• VirtIO 规范（v1.4）
• rCore: virtio设备驱动程序
• virtio-drivers 文档
• smoltcp 文档
• Computer Networks: A Systems Approach