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https://github.com/HUST-OS/tornado-os

异步内核就像风一样快！
https://github.com/HUST-OS/tornado-os
asynchronous-kernel riscv rust
Last synced: about 1 month ago
JSON representation
异步内核就像风一样快！
Host: GitHub
URL: https://github.com/HUST-OS/tornado-os
Owner: HUST-OS
License: apache-2.0
Archived: true
Created: 2021-01-22T12:52:45.000Z (almost 4 years ago)
Default Branch: main
Last Pushed: 2021-08-18T02:22:42.000Z (over 3 years ago)
Last Synced: 2024-08-03T09:11:43.024Z (5 months ago)
Topics: asynchronous-kernel, riscv, rust
Language: Rust
Homepage:
Size: 6.39 MB
Stars: 281
Watchers: 4
Forks: 20
Open Issues: 0
Metadata Files:
- Readme: README.md
- License: LICENSE-Apache
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README

        # 飓风内核

异步内核就像风一样快！  

![os](https://img.shields.io/badge/kernel-asynchronous-red)

![ISA](https://img.shields.io/badge/ISA-RISC--V-yellow)

![competition](https://img.shields.io/badge/os-competition-blue)

## 基于共享调度器的异步内核设计

操作系统内核经历了几个主要的发展阶段，从裸机应用，批处理系统到多道任务系统，演变为至今主流的线程操作系统。这种系统基于线程的切换来调度任务；为了进一步提升性能，一些现代编程语言在应用层复用线程资源，提出了`协程`的概念，旨在节省任务调度的开销。  

在本项目中我们提出一种新的内核开发思路：由不同资源共享调度器，在操作系统层面提供协程。我们希望这种全新设计的内核在满足传统内核的易用性的同时，拥有着专有内核的高性能特点，“像风一样快”，因此取名**飓风内核**——**tornado-os**。  

## 运行异步任务

飓风内核中和传统内核最大的不同点就在于多任务的运行方式，在飓风内核中基于共享调度器来运行异步任务，伪代码呈现如下： 

```Rust

pub extern "C" fn kernel_main() {

    // 内核的一些初始化过程

    kernel::init();

    // 共享调度器的基地址

    let base = 0x8600_0000;

    // 实例化共享调度器

    let shared_scheduler = unsafe { task::SharedScheduler::load(base) };

    // 创建一个[`Future`]

    let future = MyFuture::new();

    // 用future创建一个任务

    let task = task::KernelTask::new(future);

    // 往共享调度器里面添加任务

    shared_scheduler.add_task(task);

    // 内核异步运行时中的执行器执行任务

    runtime::executor::run_until_idle();

}

```

## 系统架构

![](assets/飓风内核系统架构.png)

## 如何执行异步任务

![](assets/异步任务执行.png)

## 如何运行

如果您已经能够运行[rCore-Tutorial](https://github.com/rcore-os/rCore-Tutorial-v3)，那么您的环境已经能满足编译飓风内核的要求，不需要再次安装构建工具，请直接开始下一步。

首先需要准备构建工具：  

* Rust 环境(nightly-2021-03-01或以上)，[安装方法](https://www.rust-lang.org/zh-CN/tools/install)

* [qemu-system-riscv64](https://github.com/qemu/qemu)(请使用 5.2.0 版本)，[qemu安装方法](https://rcore-os.github.io/rCore-Tutorial-Book-v3/chapter0/5setup-devel-env.html#qemu)

* `riscv64-linux-gnu-`系列或`riscv64-unknown-elf-`系列两种常用的RISC-V工具链，或Rust嵌入式社区的[cargo-binutils](https://github.com/rust-embedded/cargo-binutils)工具链，其中`riscv64-linux-gnu`在Ubuntu平台可以使用`apt`直接安装，`cargo-binutils`按照github说明安装即可。

* 调试工具(可选)：RISC-V 指令集支持的 [gdb](https://mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn/gnu/gdb/?C=M&O=D)

> 演示视频链接：https://pan.baidu.com/s/11U0_G3tufcu9fksLHryAYQ, 提取码：cym9

下载源码：  

```bash

git clone https://github.com/HUST-OS/tornado-os.git

```

在qemu上运行：  

```bash

cd tornado-os

cargo mkfs # 生成文件镜像

cargo qemu # 运行qemu模拟器

```

其中，cargo mkfs将生成文件的镜像，它需要在Linux或macOS系统下运行；如果开发环境是Windows，可以考虑在WSL下开发项目。

cargo qemu能在任何的操作系统下运行。

项目直接使用xtask写法，所以不需要安装make、just等脚本工具。**如果在编写的过程中要求输入账号密码，可能因为xtask写法而输入失败。

这时候可以使用`sudo su`等需要特权的Linux命令，输入密码后退出`su`环境，当前控制台暂时保存权限，此时再运行命令就不需要输入密码了。**

在k210上运行：  

首先制作sd卡，将sd卡放入读卡器中，连接到PC端，确认您的sd卡分区，假设是`/dev/sdb`，然后运行以下命令：

```bash

cargo mkfs # 生成文件镜像

sudo dd if=fs.img of=/dev/sdb count=1440k # 将文件镜像写入到sd卡中

# 上面这条命令如果长时间没结束可以直接Ctrl+C退出，文件镜像依然会写入到sd卡中

```

然后将sd卡从读卡器中拔出来插入到k210板子上，将k210板子连接到PC端。

接下来检查您的USB串口，运行命令：  

```bash

cargo detect

```

终端会打印出当前您的k210板子对应的USB串口，这里假设是`/dev/ttyUSB0`。

最后运行命令：  

```bash

sudo chmod 777 /dev/ttyUSB0 # windows平台不需要这步

cargo k210 # 将内核二进制文件烧写到k210中运行

```

> note: k210模式下按`Ctrl + ]`退出。

如果您需要运行数据库测例，这个样例程序需要额外的依赖库才能运行。请输入`cargo mkfs --db`来编译，来选择这些依赖库。

演示程序说明请参考[这里](doc/第十章-用户程序演示说明.md)。

## Features

|内核组件|状态|未来改动|

|---|---|---|

|内存管理|✅|小|

|中断管理|✅|小|

|跳板页切换|✅(特权级切换)|小|

|共享调度器|✅|较小|

|内核异步运行时|✅(执行器)|比较大|

|用户异步运行时|✅(执行器)|大|

|virtio异步块设备驱动|✅|小|

|sd卡异步驱动|✅(未完全)|待实现|

|virtio异步网卡驱动|❌|待实现|

|不同地址空间任务切换|✅(yield系统调用)|小|

|保底机制(时钟中断的处理)|❌|待实现|

|相同地址空间任务通信|✅(Channel)|较小|

|不同地址空间任务通信|❌|待实现|

|性能测试|✅(需要更精确的测试)|大|

|系统调用|状态|实现优先级|

|---|---|---|

|yield|✅|高|

|异步IO|✅(块设备读写)|高|

|exec|❌|低|

## 目录介绍

|目录名称|介绍|

|---|---|

|tornado-kernel|飓风内核实现|

|shared-scheduler|共享调度器实现|

|tornado-user|用户态代码实现|

|async-virtio-driver|异步virtio块设备驱动|

|async-fat32|异步fat32文件系统|

|async-mutex|异步锁|

|async-sd|异步sd卡驱动|

|event|事件机制库`no_std`支持|

|rv-lock|RISC-V指令集关中断的锁|

其中共享调度器以二进制包的形式编译，集成一些接口提供给内核和用户，具体实现参考[代码](shared-scheduler/src/main.rs)。  

飓风内核中与共享调度器通过 API 兼容方式进行交互，具体参考[代码](tornado-kernel/src/async_rt/shared.rs)，用户态代码同上，具体请参考[代码](tornado-user/src/task/shared.rs)。  

## 开发文档

+ [项目大纲](doc/项目大纲.md)文档，[pdf](doc/飓风内核项目大纲.pdf)

+ [doc](doc)目录

    * [第一章-飓风内核设计](doc/第一章-飓风内核设计.md)

    * [第二章-共享调度器设计与实现](doc/第二章-共享调度器设计与实现.md)

    * [第三章-内核任务与内核执行器](doc/第三章-内核任务与内核执行器.md)

    * [第四章-用户执行器与yield系统调用](doc/第四章-用户执行器与yield系统调用.md)

    * [第五章-virtio异步块设备驱动](doc/第五章-virtio异步块设备驱动.md)

    * [第六章-异步fat32文件系统](doc/第六章-异步fat32文件系统.md)

    * [第七章-异步IO系统调用](doc/第七章-异步IO系统调用.md)

    * [第八章-飓风内核的上层应用兼容性](doc/第八章-飓风内核的上层应用兼容性.md)

    * [第九章-性能测试](doc/第九章-性能测试.md)

    * [第十章-用户程序演示说明](doc/第十章-用户程序演示说明.md)

+ 代码注释，项目代码中有着充分的文档注释，包括一些实现思路

## TODO

+ 从内核层面提供异步网络IO(异步网络协议栈)

+ 更全面，更系统的性能测试分析

+ 多核环境下的上下文管理机制

## 开源协议

本项目使用双开源协议：  

* [木兰许可证](./LICENSE-MULAN)

* [Apache](./LICENSE-Apache)

## **无相之风战队出品**

欢迎浏览[无相之风战队官方网站](https://qf.rs/)！

## **性能测试结果**

![](assets/任务切换与进程切换性能对比(qemu).png)

![](assets/任务切换对比进程切换优化率(k210).png)

![](assets/飓风内核与rCore-Tutorial运行多任务性能对比(qemu).png)

![](assets/飓风内核与rCore-Tutorial运行多任务性能对比(k210).png)