ExarOS

概述

艾克萨罗斯（ExarOS）是一款北京航空航天大学计算机学院强生、陈凝香和曹宏墚采用 C 语言开发的基于 RISCV64 的操作系统，提供部分 linux 系统调用。

在功能方面，目前全国赛第一阶段只有 lmbench 3 个测试点尚未调通，iperf, netperf 网络测试功能不支持，其他测试样例均完全通过。具体通过情况见下表：

测试	busybox	libctest	lua	libcbench	iozone	cyclictest	unixbench	lmbench	iperf	netperf
样例个数	54	220	9	27	8	4	27	24	6	5
通过个数	54	220	9	27	8	4	27	21	0	0

在性能方面，我们与 qemu 上运行的 linux 进行对比，取得了较为优异的表现，具体的数据可以参考性能总结文档。

此外，我们还移植了 musl-gcc。

---

环境与工具

条目	工具	版本
交叉编译器	riscv64-unknown-elf-gcc	12.2.0
硬件模拟器	qemu-system-riscv64	7.0.0
SBI	openSBI
开发板	HiFive Unmatched 开发板
调试器	gdb-multiarch	12.1

---

编译与运行

宿主机需要为 Linux 系统，并具有区域赛要求的开发环境和工具。

运行如下指令编译内核：

make 

使用如下指令在 qemu 上运行内核，此时 qemu 模拟的开发板是 hifive_u：

make run

如果希望 qemu 模拟的开发板是 virt，需要先修改 Exraos/include/arch.h 为如下内容

#define QEMU
#define VIRT

然后执行

make	  # compile
make virt # run

如果希望上板测试，需要修改 Exraos/include/arch.h 为如下内容

// #define QEMU
// #define VIRT

然后编译

make

我们采用的方式是利用 uboot 网络加载内核和初始 sd 卡，需要在宿主机上搭建 tftp 服务器，并在开发板的 uboot 上进行相关配置，具体的流程可以参考文档board 。

---

仓库架构

ExarOS
├── doc (项目文档)
│   └── img (项目图片)
├── include (头文件)
│   └── assembly 
├── kernel (内核实现)
│   ├── driver (驱动)
│   ├── entry (内核入口)
│   ├── fs (文件系统)
│   ├── memory (内存)
│   ├── net (网络)
│   ├── process (进程管理)
│   ├── trap (异常及加载)
│   └── util (辅助工具)
├── linkscript (链接脚本)
├── testcase (测试样例)
│   └── mnt 
├── user (用户程序)
│   ├── include(用户头文件)
│   │   └── arch
│   │       └── riscv
│   └── target 
└── utility (辅助工具)

---

设计文档

软件管理

• 软件规范：包括注释规范、代码风格规范、git commit 规范。
• docker环境：符合官方要求的工具链 docker，并增设了自动化脚本，方便本地调试。
• 开发资源：记录开发手册、参考代码、前人博客和视频等资源。

开发环境

• 硬件平台：machine virt 平台的特性。
• 构建脚本：编译器参数、qemu 参数、自动化脚本、GUI 调试。
• SBI：SBI 相关知识。
• 开发板：包括搭建 tftp 服务器和 uboot 启动。

内核设计

• 内核启动：启动流程和 SBI 应用。
• 内存管理：虚拟内存布局和内存管理。
• trap：包括相关概念，中断和异常处理。
• 进程管理：进程管理、进程调度、睡眠锁。
• 系统调用：系统调用框架。
• virtio 驱动：virtio 驱动实现。
• FAT32：FAT32 文件系统基础理论介绍。
• 文件系统：分层文件系统各层次介绍。
• 多核启动：多核启动相关。
• 信号：信号的相关概念和设计。
• 调度：新型调度方案，实现了 linux 相关的系统调用。
• 动态链接：动态链接的概念，需求，设计，实现。
• 线程：线程相关。
• 套接字：套接字的概念、时序逻辑和接口。
• 网络协议栈：网络协议栈的设计和实现思路，未能完成的教训。
• 网卡驱动：macb 网卡驱动的实现思路。
• 共享内存：共享内存的设计和实现。

内核优化

• 懒加载：只在用户进程需要的时候，将数据加载入内存，节省了加载的开支。
• 外存写回：外存优化，包括缓存的设计和写回策略的选择。
• 临时文件：在 /tmp/ 文件夹下的文件为临时文件，不在放到 SD 卡内，而是在内存中进行维护。
• UART移植：将 UART 移植到 S 级，避免了陷入 M 级的时间。

用户程序

• 用户程序设计：用户函数库、初始化事项等。
• shell：ThyShell 设计。

测试

• 赛题分析：测试形式和样例的分析。
• 测试设计：包括官方样例测试和模块测试。
• bug：记录开发过程中遇到的十分困难或者离奇的 bug。
• TODO：记录内核还需要完善和拓展的地方。