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操作系统实战——QEMU模拟器搭建【rCore 操作系统】

ai 2025/5/13 16:10:17

操作系统大作业——QEMU模拟器搭建rCore操作系统

按照本篇步骤走，帮你少走很多弯路！博主在自己做的过程中踩了很多坑，过程还是很痛苦的，走了很多弯路，现在都已经在文章中把坑填平了，把弯路修直了。

创作不易，还请点赞👍、收藏⭐，也欢迎分享📤

任务描述

使用QEMU模拟器搭建rCore操作系统的实验环境，了解rCore的基本架构和启动流程。在此基础上，编写一个会产生异常的应用程序，并简要解释操作系统的处理结果。要求给出详细的配置过程、程序代码和运行时的截图。

任务分解

搭建 rCore 实验环境：
- 安装必要的工具（QEMU、Rust 工具链等）。
- 克隆 rCore 仓库并配置环境。
- 使用 QEMU 运行 rCore。
了解 rCore 架构和启动流程：
- 简要分析 rCore 的基本架构。
- 描述 rCore 的启动流程。
编写产生异常的应用程序：
- 创建一个用户态程序，触发异常（如非法内存访问）。
- 集成到 rCore 并运行。
分析操作系统处理结果：
- 解释异常处理机制。
- 描述运行结果和预期输出。
提供运行说明和截图指导：
- 给出运行命令和预期终端输出。
- 说明如何截图。

步骤 1：搭建 rCore 实验环境

1.1 环境要求

操作系统：推荐 Ubuntu 22.04 或更高版本（其他 Linux 发行版或 WSL2 也可）。
硬件：4GB 以上内存，10GB 以上磁盘空间。
工具：
- QEMU（推荐版本 5.0 或以上）。
- Rust 工具链（支持 RISC-V 目标）。
- Git、Make、GCC 等基本开发工具。

1.2 安装依赖

配置镜像源

由于下载源的服务器在国外，国内网络环境下载会非常慢，甚至会失败，所以需要先配置一下国内的镜像源。

由于写在一起会很多，这里单独写在了另一篇文章中：
详细配置教程链接🔗Ubuntu中配置【Rust 镜像源】

在 Ubuntu 上执行命令安装必要的工具

# 更新包索引并安装基本工具
sudo apt update
sudo apt install -y git build-essential curl wget libssl-dev pkg-config# 安装 QEMU
sudo apt install -y qemu-system-riscv64# 验证 QEMU 版本，需要确保版本为7.0.0以上，否则之后会因为版本过低无法运行rCore，需要升级到7.0.0以上
qemu-system-riscv64 --version# 安装 Rust 工具链
curl --proto '=https' --tlsv1.2 https://sh.rustup.rs -sSf | sh
source $HOME/.cargo/env# 添加 RISC-V 目标支持
rustup target add riscv64gc-unknown-none-elf# 安装 rust-src（用于 rCore 编译）
rustup component add rust-src --toolchain nightly# 安装 cargo-binutils（用于生成二进制文件）
cargo install cargo-binutils
rustup component add llvm-tools-preview

1.3 克隆 rCore 仓库

安装配置 git

方式一：

这里需要使用到版本控制工具 git ，请确保你的实验机器（Ubuntu虚拟机）中已经安装了git，并且已经配置完成（能与GitHub正常建立连接）。

注：博主自己在做实验的时候，使用https协议克隆仓库会失败，只能使用ssh协议克隆才能成功，所以建议读者也直接使用ssh协议进行克隆，而且这也是GitHub官方推荐的克隆方式。

由于写在一起会很多，这里单独写在了另一篇文章中，这里也附上Ubuntu中使用SSH协议克隆的教程链接🔗：使用SSH协议克隆详细步骤

方式二：
如果读者之前没有接触过git，或者不是很熟悉，不想在这里折腾的话，你可以直接用自己的本地主机（你自己的电脑，而非虚拟机）先登录GitHub找到rCore的仓库（项目地址：https://github.com/rcore-os/rCore-Tutorial-v3），将压缩包下载下来（如下图所示），然后再从本地主机上传到你的虚拟机上，然后再进行解压缩，也能得到rCore的项目代码。

在这里插入图片描述

克隆 rCore 仓库

rCore 是一个基于 Rust 语言的教学操作系统，支持 RISC-V 架构。我们这里使用 rCore-Tutorial-v3：

# 克隆 rCore-Tutorial-v3 仓库
git clone git@github.com:rcore-os/rCore-Tutorial-v3.git
cd rCore-Tutorial-v3

1.4 配置和编译 rCore

rCore 使用 Rust 编写，编译需要指定目标架构为 RISC-V。

# 进入内核目录
cd os# 编译内核
make build# 运行 QEMU 模拟 rCore
make run

预期输出：

编译完成后，make run 会启动 QEMU，模拟 RISC-V 64 位架构。

终端将显示 rCore 启动日志，例如：

[kernel] Booting rCore...
Lilliputian
[kernel] Hello, world!
...

你将看到 rCore 的 shell 提示符，说明环境搭建成功。

1.5 验证环境

运行 make run 后，确认 rCore 正常启动并进入用户 shell。尝试运行一些基本命令（如启动之后列出的程序 hello_world、cat）以验证环境正常。

步骤 2：了解 rCore 架构和启动流程

2.1 rCore 基本架构

rCore 是一个基于 Rust 语言的微内核操作系统，专为教学设计，支持 RISC-V 架构。它的主要模块包括：

内核（Kernel）：
- 负责初始化硬件、管理内存、调度进程和线程、处理中断和异常。
- 提供系统调用接口，供用户态程序使用。
文件系统（File System）：
- 实现简单的文件系统，支持基本的文件读写操作。
- 基于 FAT32 格式，挂载到虚拟磁盘上。
进程管理（Process Management）：
- 支持多进程和线程，基于优先级调度。
- 使用上下文切换实现并发执行。
内存管理（Memory Management）：
- 实现虚拟内存、页面映射和动态内存分配。
- 支持页面置换算法（例如 FIFO）。
异常和中断（Exception and Interrupt）：
- 处理硬件中断（如定时器中断）和软件异常（如非法指令、内存访问错误）。
- 使用异常处理机制恢复或终止进程。
用户态库（User Libraries）：
- 提供标准 C 库（libc）的子集，支持基本的 I/O、字符串处理和内存操作。
- 包含简单的 shell 和测试程序。

2.2 rCore 启动流程

rCore 的启动流程如下：

硬件初始化：
- QEMU 加载 rCore 内核镜像到内存。
- 初始化 CPU 寄存器、栈指针和全局指针。
内核初始化：
- 设置中断控制器和定时器。
- 初始化内存管理单元（MMU），启用虚拟内存。
- 加载文件系统和设备驱动。
进程初始化：
- 创建第一个用户进程（init 进程）。
- 加载用户 shell 和测试程序。
进入用户态：
- 切换到用户模式，运行 shell。
- 用户可以通过 shell 执行命令或运行程序。

启动日志分析：

运行 make run 时，观察日志中的关键步骤，例如：
- [kernel] Initialize interrupt controller
- [kernel] Setup virtual memory
- [kernel] Mount filesystem
- [kernel] Start init process
- [user] Welcome to rCore shell

步骤 3：编写产生异常的应用程序

（仅供参考）编写一个简单的用户态 C 程序，尝试访问非法内存地址，触发段错误（Segmentation Fault），并观察 rCore 的处理结果。

3.1 创建用户程序

在 rCore-Tutorial-v3/user/src/bin 目录下创建文件 segfault.c：

#include <stdio.h>int main() {// 尝试写入非法内存地址int *ptr = (int *)0xdeadbeef;*ptr = 42; // 触发段错误printf("This line should not be reached.\n");return 0;
}

3.2 编译运行C语言异常程序

下载RISC-V 交叉编译器（riscv64-linux-gnu-gcc），以手动编译C语言程序

sudo apt install riscv64-linux-gnu-gcc

验证安装：

riscv64-linux-gnu-gcc --version

编译

在 user/src/bin/ 下编译 segfault.c：

cd ~/rCore-Tutorial-v3/user/src/bin
riscv64-linux-gnu-gcc -static -march=rv64g -mabi=lp64d -o segfault segfault.c

说明：

static：生成静态链接的可执行文件，避免依赖动态库。
march=rv64g：针对 RISC-V 64 位架构。
mabi=lp64d：使用 LP64D ABI（long, pointer 为 64 位，double 为 64 位）。

转换为二进制格式:

使用 riscv64-linux-gnu-objcopy 将 ELF 文件转为二进制：
```
riscv64-linux-gnu-objcopy -O binary segfault segfault.bin
```

移动到目标目录

将 segfault 和 segfault.bin 移动到编译输出目录：

mv segfault ~/rCore-Tutorial-v3/user/target/riscv64gc-unknown-none-elf/release/
mv segfault.bin ~/rCore-Tutorial-v3/user/target/riscv64gc-unknown-none-elf/release/

更新文件系统

返回 os 目录，重新打包文件系统：
```
cd ~/rCore-Tutorial-v3/os
make clean
make build
```
运行并测试运行 rCore：

make run

预期输出：

触发异常。
rCore 检测到非法内存访问，终止程序并返回 shell。

输出类似于：

[kernel] Exception: Store/AMO access fault at 0xdeadbeef
[kernel] Process terminated

步骤 4：分析操作系统处理结果

4.1 异常处理机制

rCore 的异常处理流程如下：

异常检测：
- CPU 检测到非法内存访问（0xdeadbeef 不在合法地址空间）。
- 触发异常，保存当前程序计数器（PC）和异常原因到寄存器。
中断处理：
- 内核的中断控制器捕获异常，调用异常处理程序。
- 根据异常类型（Store/AMO access fault），决定处理策略。
进程终止：
- 对于不可恢复的段错误，内核终止进程。
- 释放进程的资源（如内存、文件描述符）。
- 返回到 shell，打印错误信息。
日志记录：
- 内核记录异常的详细信息（如地址 0xdeadbeef 和异常类型）。

4.2 运行结果解释

程序行为：segfault 程序尝试写入非法地址，触发硬件异常。
内核反应：rCore 正确识别异常，终止进程以保护系统稳定性。
用户体验：用户收到错误提示，系统恢复到 shell 状态，未受进一步影响。
健壮性：rCore 的异常处理机制确保单一程序的错误不会导致系统崩溃，体现了微内核设计的安全性。

步骤 5：运行说明和截图指导

5.1 运行命令

以下是关键命令的汇总：

# 安装依赖
sudo apt install -y qemu-system-riscv64 git build-essential curl
curl --proto '=https' --tlsv1.2 -sSf https://sh.rustup.rs | sh
rustup target add riscv64gc-unknown-none-elf
rustup component add rust-src --toolchain nightly
cargo install cargo-binutils
rustup component add llvm-tools-preview# 克隆和编译 rCore
git clone https://github.com/rcore-os/rCore-Tutorial-v3.git
cd rCore-Tutorial-v3
git checkout Book
cd os
make build
make run# 运行 segfault 程序
# 在 rCore shell 中输入：
segfault

5.2 预期终端输出

启动 rCore：

[kernel] Booting rCore...
[kernel] Initialize interrupt controller
[kernel] Setup virtual memory
[kernel] Mount filesystem
[kernel] Start init process
[user] Welcome to rCore shell

运行 segfault：

segfault
Attempting to access invalid memory...
[kernel] Exception: Store/AMO access fault at 0xdeadbeef
[kernel] Process terminated

5.3 截图指导

在运行 make run 和 segfault 时，截取以下终端输出：

rCore 启动日志：显示从 [kernel] Booting rCore... 到 [user] Welcome to rCore shell 的完整日志。
segfault 运行结果：显示 segfault 命令的输入和异常终止的输出。
QEMU 窗口（可选）：如果 QEMU 打开图形界面，截图显示 rCore shell 界面。

截图工具：

Ubuntu：使用 gnome-screenshot 或 scrot。
命令：scrot screenshot.png
确保截图清晰，包含完整的终端窗口或 QEMU 界面。

保存和提交：

将截图保存为 PNG 或 JPEG 格式，命名为 rcore_boot.png 和 segfault_output.png。
提交时附上截图和代码文件 segfault.c。

注意事项

常见问题：
- QEMU 未安装或版本过旧：确保使用 qemu-system-riscv64 且版本 ≥ 5.0。
- Rust 工具链配置错误：运行 rustc --version 和 cargo --version 确认安装成功。
- 编译失败：检查 make build 的错误日志，可能缺少依赖或目标架构未设置。
- 异常未触发：确保 segfault.c 中的地址 0xdeadbeef 未被意外映射到合法内存。
调试：
- 使用 make debug 启动 QEMU 并连接 GDB，检查异常时的寄存器状态。
- 示例 GDB 命令：
```
target remote :1234
info registers
backtrace
```
性能优化：
- 如果 QEMU 运行缓慢，增加 -smp 4 参数以使用多核。
- 示例：make QEMU_ARGS="-smp 4" run