飓风内核（开发中）

异步内核就像风一样快！

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，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。
设计文档请参考这里
同时这里有开发成员制作的PPT

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：

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;
    // 获取共享调度器
    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();
}

用户态运行异步任务的方法和内核态基本一致。

系统架构

如何运行

构建工具：

• Rust 环境(nightly-2021-03-01或以上)
• Just 工具
• cargo-binutils
• qemu-system-riscv64(推荐 5.2.0 版本)

另外反汇编需要 riscv64-linux-gnu-objdump，该工具在 Ubuntu 操作系统上可以通过 apt-get 下载。
调试工具：RISC-V 指令集支持的 gdb

下载源码：

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

快速运行：

cd tornado-os
just qemu user_task

进度

• 内核开发基础设施(内存管理，页表机制，中断处理等)已经基本完成
• 共享调度器的设计与实现已经完成，将来或许会有些改动，但总体实现思路已经比较成熟
• 内核态和用户态的异步运行时的实现初步完成，由于 Rust 语言异步运行时的灵活性，将来可能有较为频繁的改动
• 异步版的 virtio 块设备驱动已经基本完成，下一步可以继续写文件系统了(参考代码：如何在飓风内核中运行virtio块设备读写任务)
• 内核生成器语法有了可以运行的代码，下一步可以考虑用在飓风内核的开发上

源码阅读小助手

该项目主要由三个目录组成：

• shared-scheduler: 共享调度器实现
• tornado-kernel: 飓风内核实现
• tornado-user: 用户态代码实现

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。
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，用户态代码同上，具体请参考代码。
内核态和用户态都分别实现了一个执行器，分别是内核态执行器和用户态执行器。
内核中任务的定义在这里，用户态中任务的定义在这里，不同的地址空间可以定义自己的任务语义，其他地址空间无法解析。

开发文档

• 无相之风战队官方网站
  • 异步内核的设计与实现
  • 地址空间与进程
  • 执行器与生成语义
  • 异步virtio之块设备驱动实现
• doc目录
• 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

衍生项目

项目开发过程中，我们经常会有一些想法和思路，在完整的项目中不是很好实现，因此衍生出一些其他的项目：

• 洛佳的异步内核实验室
• 洛佳的异步内核实验室第二版
• 异步virtio块设备驱动

其中，洛佳的异步内核实验室中实现了一个内核中的生成器语法，非常有研究价值，欢迎访问博客执行器与生成语义
另外，我们还初步实现了一款基于 Rust 语言异步语法的 virtio 块设备驱动库，并可以结合本项目以异步的方式运行块设备读写任务，详细内容请访问博客异步版VIRTIO之块设备驱动实现

TODO

• 从内核层面提供异步文件 IO(异步文件系统)
• 从内核层面提供异步网络 IO(异步网络协议栈)
• 性能测试分析
• 活用内核生成器语法