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marp: true
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# **xv6-k210 移植报告**
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+ 报告人： 车春池
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+ 华中科技大学本科三年级
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+ 时间： 2020-12-26
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+ 地点： 北京中科院计算所
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```
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(`-') (`-') <-.(`-')
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(OO )_.-> _(OO ) __( OO)
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(_| \_)--.,--.(_/,-.\ ,--. (`-') '-'. ,--. .----. .--. .----.
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\ `.' / \ \ / (_/ / .' ( OO).-> | .' / \_,-. | /_ | / .. \
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\ .') \ / / . / -. (,------. | /) .' .' | | | / \ .
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.' \ _ \ /_)' .-. \ `------' | . ' .' /_ | | ' \ / '
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/ .'. \ \-'\ / \ `-' / | |\ \ | | | | \ `' /
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`--' '--' `-' `----' `--' '--' `------' `--' `---''
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```
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## **前言**
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+ `xv6` 和 `xv6-riscv` 是 `MIT` 写的教学操作系统，在 [github](https://github.com/mit-pdos/xv6-riscv.git) 上开源
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+ `xv6` 官方目前只支持 `qemu` 平台
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+ `k210`：`kendryte` 产商于 2018 年发布的 `RISC-V` 双核 64 位处理器
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+ `RustSBI`：华科网安同学 `洛佳` 提供的强大的 `Rust` 嵌入式项目，为移植工作提供很大帮助
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## **当前成果**
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## **运行流程**
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+ 需要`RISC-V` 编译链，用它来编译二进制内核镜像，可以是 `riscv64-unknown-elf` 或者 `riscv64-linux-gnu`
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+ 需要搭载 `k210` 芯片的开发板： `Maixpy` 系列，淘宝有售
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+ SD 卡：可选，如果不跑文件系统的话
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+ 在 `github` 上获得项目源码： `git clone https://github.com/SKTT1Ryze/xv6-k210`
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+ 用读卡器把 SD 卡连接到电脑
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+ 进入到 `xv6-k210` 目录下运行命令 `make sdcard`，然后 `Makefile` 会打包一个文件系统镜像写入到 SD 卡
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+ 将 SD 卡插到 `k210` 板子上，并用 type-C 线连接 `k210` 板子到电脑上
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+ 在 `xv6-k210` 目录下运行命令 `make run`
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+ 查看 `USB` 端口： `ls /dev/ | grep USB`
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## **K210**
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+ 两个核心，双核对等，具备独立 FPU
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+ 64 位处理核
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+ 标称频率为 400MHZ
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+ 双精度浮点处理单元
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+ PLIC 支持高级中断管理
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+ CLINT 支持 CPU 内置定时器中断与跨核心中断
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+ 8M 的片上 SRAM
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## **K210 SRAM**
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|模块名称|映射类型|开始地址|结束地址|空间大小|
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|---|---|---|---|---|
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|通用 SRAM 存储器|经 CPU 缓存|0x80000000|0x805FFFFF|0x600000|
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|AI SRAM 存储器|经 CPU 缓存|0x80600000|0x807FFFFF|0x200000|
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|通用 SRAM 存储器|非 CPU 缓存|0x40000000|0x405FFFFF|0x6000000|
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|AI SRAM 存储器|非 CPU 缓存|0x40600000|0x407FFFFF|0x200000|
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## **K210 VS QEMU**
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+ 指令集标准版本不同，qemu 是 v1.11，k210 是 v1.9.1
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+ `MMIO` 内存布局不同
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+ 虚拟文件系统 vs SD 卡上的文件系统
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## **RustSBI**
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+ 脱胎于 2020 年暑假鹏城实验室的“rCore代码之夏”活动
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+ 操作系统二进制接口标准（SBI 标准）的一种实现
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+ Rust 语言编写
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+ 模块化设计，方便支持新的平台
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+ 进入国际 RISC-V SBI 实现列表，获得编号 4：
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| Implementation ID | Name |
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| 0 | Berkeley Boot Loader (BBL)|
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| 1 | OpenSBI |
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| 2 | Xvisor |
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| 3 | KVM |
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| **4** | **RustSBI** |
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| 5 | Diosix |
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## **移植工作一览**
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+ 多核启动
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+ 内存分配
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+ 虚拟内存管理
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+ 中断处理
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+ S 态外部中断
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+ 用户多进程
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+ SD 卡驱动
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+ 文件系统
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+ 软硬件协同调试
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+ 中文文档
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## **多核启动**
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+ 链接脚本 k210.ld：调整内核镜像布局和指定内核入口点
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+ `RustSBI` 将处理器核从 `M` 态切换到 `S` 态，然后跳转到内核起始地址
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+ entry_k210.S：操作系统内核运行的第一段代码，对应链接脚本中的内核入口点
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+ `main.c`：进入 `supervisor` 模式（S 态）
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+ `RustSBI` 提供接口，使得可以在启动的第 0 个核中唤醒其他核
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## **多核启动**
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## **内存分配**
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+ `kalloc.c`
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+ 可分配的内存空间范围：`kernel_end` ~ `PHYSTOP`
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+ 内存分配初始化：void kinit()，初始化锁，开拓内存空间
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+ void* kalloc()：4096 字节
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+ 内核维护一个链表：空闲链表
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## **虚拟内存管理**
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+ `vm.c`
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+ 维护一个内核页表 `kernel_pagetable`
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+ 在 void kvminit() 里面进行`内核空间`虚拟地址到物理地址的映射
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+ 进行 MMIO，内核空间，用户态空间， RustSBI 等内存空间的映射
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+ 在 void kvminithart() 里面将内核页表的首地址放到 `satp` 寄存器，然后运行 `sfence.vma` 指令
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## **虚拟内存管理**
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**但是！！ K210 采用的是 1.9 版本的 RISC-V 标准，不存在 sfence.vma 这条指令，只有旧版指令 sfence.vm**
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怎么办？求助 `RustSBI`
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## **虚拟内存管理**
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**RustSBI 如何解决这个问题？**
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+ `sfence.vma` 作为异常指令被 `RustSBI` 捕获
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+ 读取 `satp`（读取 `ppn`）
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+ 根据第二步读取的值写 `sptbr` （v1.9 指令集版本使用的寄存器，相当于 `satp`）设置页表
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+ 设置 `mstatus` 中相应的位开启分页（内核无法做这个工作）
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+ 运行旧版指令 `sfence.vm` 清空 `TLB`
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+ 写 `mepc` 并返回到 `sfence.vma` 的下一条指令去运行（`mepc + 4`）
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## **虚拟内存管理**
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<!-- <img src="../img/mem_map.jpg"> -->
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## **中断处理**
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+ `trap.c`
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+ void kerneltrap()：S 态中断或异常陷入这个函数，在这里处理或者转发
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+ void usertrap()：U 态中断或异常陷入这里
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+ int devintr()：判断中断的来源（比如时钟中断返回 2）
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## **中断处理**
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中断处理初始化工作：
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+ void trapinithart()
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+ 将 `kernelvec` 地址写入到 `stvec`
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+ `kernelvec` 函数在 `kernelvec.S` 汇编文件里面，保存上下文，进入 `kerneltrap`，恢复上下文，返回
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+ 设置 `sstatus.sie` 位
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+ 设置 `sie` 开启外部中断，时钟中断和软件中断
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## **时钟中断**
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**通过 RustSBI 设置时钟中断**
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+ `timer.c`
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+ 参考 `rCore` 实现
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+ void set_next_timeout()：设置下一次时钟中断的时间
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+ void timerinit()：初始化时钟中断
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+ void timer_tick()：触发时钟中断的时候进入这里，这里也会设置下一次时钟中断
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+ 神奇的 bug：set_next_timeout 中的 printf("");
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## **S 态外部中断**
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以下参考吴一凡学长的文档，如有雷同，纯属照搬。
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为什么需要移植 S 态外部中断？
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+ **RustSBI 运行在 M 态，OS 内核运行在 S 态**
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+ **想要使用 S 态众多的数据结构来对外部中断进行处理**
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移植 S 态外部中断遇到的问题：`k210` 上没有 S 态外部中断！
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怎么办？
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**求助 RustSBI**
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## **S 态外部中断**
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**RustSBI 使用黑科技解决 K210 上 S 态外部中断**
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感谢吴一凡学长移植 `rCore` 到 `k210` 上的文档和洛佳同学的解惑。
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不敢班门弄斧，只说一下步骤：
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+ `RustSBI` 提供一个接口
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```Rust
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match cause {
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Trap::Exception(Exception::SupervisorEnvCall) => {
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if trap_frame.a7 == 0x0A000004 && trap_frame.a6 == 0x210 {
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// We use implementation specific sbi_rustsbi_k210_sext function (extension
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// id: 0x0A000004, function id: 0x210) to register S-level interrupt handler
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// for K210 chip only. This chip uses 1.9.1 version of privileged spec,
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// which did not declare any S-level external interrupts.
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||
...
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} else {
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||
...
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}}}
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```
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+ S 态外部中断处理函数 `supervisor_external_handler`
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+ 将这个函数指针作为参数调用 `RustSBI` 提供的接口
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+ 外部中断将会在 `supervisor_external_handler` 中处理
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## **用户多进程**
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+ `proc.c` & `trap.c` & `trampoline.S` & `swtch.S`
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+ 内核维护一个进程队列
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+ 每个进程拥有独立的页表和独立的用户态空间
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+ 在 scheduler() 进行进程调度
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+ 通过 swtch(struct context*, struct context*) 进行上下文切换
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+ 每次时钟中断内核会调用 yield() 函数，这个函数里面调用 swtch 进行进程切换
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+ 双核跑多进程
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+ 目前的用户进程是写死在内核里面的，后面文件系统移植好了才能真正意义上跑用户进程
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+ 移植文档: https://github.com/SKTT1Ryze/xv6-k210/wiki/Process-Management
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## **用户多进程**
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## **SD 卡驱动**
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+ `sdcard.c`
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+ 官方 SDK demo 实现了读取 sd 卡的例程
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+ 暴力出奇迹，移植官方 SDK 到内核中
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+ 问题：官方 SDK 编译链不同，代码太多，依赖关系复杂
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+ 通过 SPI 协议与 SD 卡通信
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+ 和很多外设打交道，比如 GPIO，FPIO 等等，还需要调整时钟信号
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+ 最终将官方 SDK 部分模块移植到了内核中，成功通过 SD 卡读取测试
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+ SD 卡读写还不稳定
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+ C 开发环境缺乏包管理工具
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## **文件系统**
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+ 由于 SD 卡读写不稳定的问题还没解决，还没完成
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+ xv6 文件系统 or Fat32 文件系统 or 全都要
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## **软硬协同调试**
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+ 硬件调试非常非常麻烦，希望有软件调试环境
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+ `Makefile` + 条件编译
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+ `make run [platform=xxx]`
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+ 类似于封装硬件抽象层
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+ `RustSBI` 基本上处理了大部分平台无关性
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+ 软件调试，一键部署
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## **依赖于 RustSBI 的模块**
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- [x] 多核启动
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- [ ] 内存分配
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- [x] 虚拟内存管理（`sfence.vma` 指令）
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- [x] 时钟中断
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- [x] S 态外部中断（其实有 bug 还没修）
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- [ ] 用户多进程
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- [x] SD 卡驱动
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- [x] 文件系统
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- [x] 平台无关性
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## **中文文档**
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+ 移植文档
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+ `xv6-riscv` 原理文档
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## **致谢**
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+ 感谢比赛方和陈渝老师提供这次演讲机会，并且感谢邵志远老师一直以来对我的支持
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+ `xv6-k210` 项目得到了很多同学的支持，特别是华科 18 级计卓班的刘一鸣和陆思彤同学，进程管理这部分的调试工作大部分是他们在做
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+ 感谢 `RustSBI` 项目
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+ 感谢 `rCore-Tutorial` 项目和今年暑假在鹏城实验室的`代码之夏`活动，让我踏入了 `Rust` 语言和体系结构的大门
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+ 感谢洛佳同学和吴一凡学长技术上的帮助
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## **谢谢各位**
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华中科技大学
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计算机科学与技术学院
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校交 1801 班
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车春池
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