My Great Operating System

简称 MyGOS

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项目结构

项目目录如下

.
├── src/
│   ├── start.S
│   ├── mem.S
│   ├── entry.S
│   ├── kernel.c
│   ├── io/
│   ├── tasks/
├── include/
│   └── ...
│   └── *.h
├── build/
│   └── (中间文件与输出文件)
├── os.ld         # 链接脚本
├── gdb_init      # 调试脚本
└── Makefile

模块划分如下

io	输入输出相关
memory	内存管理相关
task	任务调度相关
timer	定时器相关
trap	中断/异常处理相关

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关于 os.ld 链接脚本

一、OUTPUT_ARCH 命令指定输出文件的目标架构

OUTPUT_ARCH( "riscv" )

riscv 是 64 位和 32 位 RISC-V 目标的架构名称。

具体的 -march 和 -mabi 会在调用 gcc 时进一步指定。

二、ENTRY 命令指定程序的入口点

ENTRY( _start )

设置程序的入口点，即程序执行的第一条指令

这里入口点为 _start，它在 start.S 中定义

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三、MEMORY 命令

MEMORY 命令描述目标设备的内存布局

MEMORY
{
    ram (wxa!ri) : ORIGIN = 0x80000000, LENGTH = LENGTH_RAM /* 128M */
}

每行定义一个内存区域，每个内存区域在 MEMORY 命令中必须具有不同的名称，这里只定义了一个名为 ram 的区域

attr 字符串是一个可选的属性列表，用于指定是否将特定内存区域用于未在链接器脚本中显式映射的 input 部分

这里我们分配：

• w （可写）
• x （可执行）
• a （可分配）
• !r（不可读）
• i （初始化）

ORIGIN 用于设置内存区域的起始地址，将其放在 0x8000_0000 的开头，因为这是 QEMU-virt 机器开始执行的地方

LENGTH = 128M 告诉链接器我们有 128 MB 的 RAM

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四、SECTIONS 命令

SECTIONS 命令告诉链接器如何将输入节映射到输出节，以及如何将输出节放置在内存中

SECTIONS
{
sections-command-1
sections-command-2
......
}

每一个 sections-command 可以是以下之一

(1) an ENTRY command		一个入口命令
(2) a symbol assignment	PROVIDE	一个符号赋值
(3) an output section description		一个输出节描述
(4) an overlay description		一个覆盖描述

仅使用（2）符号赋值和（3）输出节描述。

使用 PROVIDE 命令来定义符号

PROVIDE 命令的语法是 PROVIDE(symbol = expression)

PROVIDE 命令用于定义符号，如果符号未在输入文件中定义，则使用指定的表达式。注意，点号 . 告诉链接器将符号（例如 _text_start） 设置为当前内存位置（. = 当前内存位置）这个当前内存位置会随着我们添加内容而移动

SECTIONS 的各个部分如下

.text	存放程序代码
.rodata	存放只读数据
.data	存放已初始化的全局和静态变量
.bss	存放未初始化的全局和静态变量

.text : {
    *(.text .text.*)
} >ram

.rodata : {
    *(.rodata .rodata.*)
} >ram

.data : {
    . = ALIGN(4096);
    *(.sdata .sdata.*)
    *(.data .data.*)
} >ram

.bss :{
    *(.sbss .sbss.*)
    *(.bss .bss.*)
    *(COMMON)
} >ram

• .text、.rodata、.data 和 .bss 是输出节的名称
• * 是通配符，表示匹配所有输入节
• (.text .text.*) 表示匹配所有以 .text 开头的输入节
• . = ALIGN(4096) 确保 .data 节的起始地址是 4096(4K) 字节对齐的，这将插入填充字节，直到当前内存位置对齐到 4096 字节边界
• *(COMMON) 用于处理未初始化的全局变量和静态变量，在大多数情况下，输入文件中的 common 符号将被放置在输出文件的 .bss 节中。common 符号就是未初始化的全局变量或静态变量，它们在链接时会被分配一个默认大小（通常是 0），并且在运行时会被清零
• >ram 表示将这些节放置在之前定义的 ram 内存区域中

PROVIDE 命令定义的符号如下

符号名称	描述
_text_start	程序代码段的起始地址
_text_end	程序代码段的结束地址
_rodata_start	只读数据段的起始地址
_rodata_end	只读数据段的结束地址
_data_start	已初始化数据段的起始地址
_data_end	已初始化数据段的结束地址
_bss_start	未初始化数据段的起始地址
_bss_end	未初始化数据段的结束地址
_memory_start	内存的起始地址（为 0x80000000）
_memory_end	内存的结束地址（为 0x88000000）
_heap_start	堆的起始地址（为 _bss_end）
_heap_size	_heap_size = _memory_end - _heap_start

五、参考资料链接汇总

• 关于 GNU 链接器
• 关于入口点
• 关于内存布局
• 关于节的定义
• 关于符号定义

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关于输入输出

PLIC 平台级中断控制器

初始化

1. 设置 UART0 的优先级

   每个 PLIC 中断源都可以通过写入其 32 位内存映射优先级寄存器来分配优先级。

   QEMU-virt（与 FU540-C000 相同）支持 7 个优先级等级。

   优先级值为 0 表示“永不中断”，等效于禁用该中断。

   优先级 1 是最低的活动优先级，优先级 7 是最高的。

   如果有多个全局中断优先级相同，则通过中断 ID 决定优先级，ID 最小的中断优先级最高。

2. 使能 UART0 中断

   每个全局中断都可以通过在使能寄存器中设置相应位来使能。

3. 置优先级阈值

   通过设置优先级阈值，可以控制哪些中断可以被处理。

   PLIC 会屏蔽所有优先级小于等于阈值的中断。 最大阈值为 7。

   例如，阈值为 0 时允许所有非零优先级的中断；阈值为 7 时屏蔽所有中断。

   注意，阈值是 PLIC 全局的，而不是针对每个中断源单独设置的。

4. 启用机器模式外部中断

   通过设置机器模式中断使能寄存器的外部中断位来启用机器模式外部中断。

5. 启用机器模式全局中断

   通过设置机器模式状态寄存器的全局中断使能位来启用机器模式全局中断。

UART 通用异步收发器

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其它

MemoryMap 内存分配

see https://github.com/qemu/qemu/blob/master/hw/riscv/virt.c, virt_memmap[]

地址范围	设备	英文全称	描述
0x00001000	boot ROM	Boot Read-Only Memory	QEMU 提供的启动 ROM
0x02000000	CLINT	Core Local Interrupt Controller	核心本地中断控制器
0x0C000000	PLIC	Platform Level Interrupt Controller	平台级中断控制器
0x10000000	UART0	Universal Asynchronous Receiver-Transmitter	串口 UART（输出调试信息）
0x10001000	virtio disk	Virtual Disk	虚拟磁盘
0x80000000	DRAM base	Dynamic Random Access Memory	内核加载的起始地址

ram (从 0x80000000 开始)
│
├─ .text       → 存放程序代码
│
├─ .rodata     → 只读数据，如字符串常量等
│
├─ .data       → 已初始化的全局/静态变量
│
├─ .bss        → 未初始化的全局/静态变量（在运行时清零）
│
├─ heap        → 堆，从 _bss_end 到内存结尾 (_memory_end)
│
└──────────────► 内存结束地址：0x80000000 + 128MB = 0x88000000

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缩写速查

缩写	英文全称	中文全称	功能描述
CLINT	Core Local Interrupter	核心本地中断控制器	管理每个 hart（核心）本地的软件和定时器中断。
PLIC	Platform-Level Interrupt Controller	平台级中断控制器	接收外部设备的中断并分发给各个 hart。
UART	Universal Asynchronous Receiver-Transmitter	通用异步收发器	用于串口通信，提供终端输入输出接口。
IRQ	Interrupt Request	中断请求	外设向处理器请求服务的信号。
WARL	Write-Any Read-Legal	可写任意、读合法	某些 CSR 类型，写入任意值但读取会被硬件过滤为合法值。
QEMU	Quick Emulator	快速模拟器	支持模拟多种 CPU 架构的虚拟机，常用于操作系统实验开发。
HART	Hardware Thread	硬件线程（处理器核）	表示一个逻辑 CPU 核心，在 RISC-V 中 hart 是并行执行单元的基本单位。
GPR	General Purpose Register	通用寄存器	用于存储临时数据和计算结果的寄存器。
CSR	Control and Status Register	控制与状态寄存器	用于控制和监视 CPU 状态的特殊寄存器。
MMIO	Memory-Mapped I/O	内存映射 I/O	将外设寄存器映射到内存地址空间，允许通过内存访问外设。
ABI	Application Binary Interface	应用程序二进制接口	定义程序与操作系统之间的接口规范，包括系统调用约定等。
BIOS	Basic Input/Output System	基本输入输出系统	启动计算机时加载操作系统的固件，通常在虚拟机中不使用。
BSS	Block Started by Symbol	符号开始的块	用于存储未初始化的全局变量和静态变量，运行时会被清零。

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RISC-V 通用寄存器（GPR）速查表

编号	缩写	ABI 名称	中文名称	功能描述
x0	zero	zero	常数 0	只读寄存器，始终为零，写入无效。
x1	ra	return address	返回地址寄存器	用于函数调用返回地址（jal 等跳转指令保存处）。
x2	sp	stack pointer	栈指针	指向当前栈顶，函数调用、局部变量分配等操作依赖此寄存器。
x3	gp	global pointer	全局指针	一般由编译器使用，指向全局数据段基址（RV GCC ABI）。
x4	tp	thread pointer	线程指针	多线程环境下指向当前线程控制块，或 hart ID。
x5	t0	temporary 0	临时寄存器 0	用作中间运算，不需在函数调用间保留值。
x6	t1	temporary 1	临时寄存器 1	同上。
x7	t2	temporary 2	临时寄存器 2	同上。
x8	s0/fp	saved 0/frame pointer	保存寄存器 0 / 帧指针	函数调用中保存值；当作帧指针（frame pointer）时用于栈帧管理。
x9	s1	saved 1	保存寄存器 1	函数调用中必须保留的值（callee-saved）。
x10	a0	argument 0 / return value	参数 0 / 返回值	用于函数参数或返回值（前 2 个参数/返回值寄存器）。
x11	a1	argument 1 / return value	参数 1 / 返回值	同上。
x12	a2	argument 2	参数 2	函数参数传递使用（总共最多支持 8 个参数）。
x13	a3	argument 3	参数 3	同上。
x14	a4	argument 4	参数 4	同上。
x15	a5	argument 5	参数 5	同上。
x16	a6	argument 6	参数 6	同上。
x17	a7	argument 7	参数 7	同上。
x18	s2	saved 2	保存寄存器 2	Callee-saved 寄存器，函数调用必须保存和恢复。
x19	s3	saved 3	保存寄存器 3	同上。
x20	s4	saved 4	保存寄存器 4	同上。
x21	s5	saved 5	保存寄存器 5	同上。
x22	s6	saved 6	保存寄存器 6	同上。
x23	s7	saved 7	保存寄存器 7	同上。
x24	s8	saved 8	保存寄存器 8	同上。
x25	s9	saved 9	保存寄存器 9	同上。
x26	s10	saved 10	保存寄存器 10	同上。
x27	s11	saved 11	保存寄存器 11	同上。
x28	t3	temporary 3	临时寄存器 3	用于中间结果，caller-saved。
x29	t4	temporary 4	临时寄存器 4	同上。
x30	t5	temporary 5	临时寄存器 5	同上。
x31	t6	temporary 6	临时寄存器 6	同上。

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RISC-V 特殊寄存器缩写全称表

缩写	类型	英文全称	中文全称	功能描述
mhartid	CSR	Machine Hardware Thread ID	硬件线程编号	当前 hart（核心）的 ID，用于多核系统区分处理器。
mepc	CSR	Machine Exception Program Counter	异常返回地址寄存器	保存异常/中断发生前的 PC 值。
mscratch	CSR	Machine Scratch Register	机器暂存寄存器	由操作系统使用，在中断处理期间保存临时数据（如上下文）。
mtvec	CSR	Machine Trap-Vector Base Address	陷阱向量表地址寄存器	设置 trap（中断/异常）处理函数入口地址。
mstatus	CSR	Machine Status Register	机器状态寄存器	包含中断使能、特权级等重要状态位。
mie	CSR	Machine Interrupt Enable	中断使能寄存器	各类中断源的使能控制位。
mcause	CSR	Machine Cause Register	中断/异常原因寄存器	指明 trap 原因，是中断还是异常及具体类型。
mip	CSR	Machine Interrupt Pending	中断挂起寄存器	显示哪些中断正在等待处理中。
mtimecmp	MMIO	Machine Timer Compare Register	定时器比较寄存器	当 mtime >= mtimecmp 时触发定时器中断，由 CLINT 提供。
mtime	MMIO	Machine Timer Register	机器时间寄存器	记录自系统启动以来的计时器周期数，由 CLINT 提供。

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中断相关 CSR 位缩写

缩写	英文全称	中文全称	功能描述	CSR
MSIP	Machine Software Interrupt Pending	机器软件中断挂起位	指示软件中断是否挂起，由 CLINT 控制并映射至 mip 中。	mip
MSIE	Machine Software Interrupt Enable	软件中断使能	控制是否响应软件中断。	mie
MTIE	Machine Timer Interrupt Enable	定时器中断使能	控制是否响应定时器中断。	mie
MEIE	Machine External Interrupt Enable	外部中断使能	控制是否响应外部中断（如 UART 中断）。	mie
MIE	Machine Interrupt Enable	机器中断总使能	启用机器模式下的全局中断响应能力。	mstatus
SIE	Supervisor Interrupt Enable	监督模式中断总使能	启用 S 模式中断。	mstatus
UIE	User Interrupt Enable	用户模式中断总使能	启用 U 模式中断。	mstatus
MPIE	Machine Previous Interrupt Enable	上次中断使能状态（M）	中断时自动保存先前的中断使能状态。	mstatus
SPIE	Supervisor Previous Interrupt Enable	上次中断使能状态（S）	同上，适用于 S 模式。	mstatus
UPIE	User Previous Interrupt Enable	上次中断使能状态（U）	同上，适用于 U 模式。	mstatus
MPP	Machine Previous Privilege	上次特权级（M 模式中）	表示陷入中断前的特权级。	mstatus
SPP	Supervisor Previous Privilege	上次特权级（S 模式中）	表示陷入中断前的特权级（仅两级特权时使用）。	mstatus

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RISC-V 架构手册中定义的标准编码（常见的 M 模式 Machine Mode 原因）：

mcause 值（十进制）	中断/异常	宏定义（常见写法）	原因说明
0	异常	InstructionAddressMisaligned	指令地址未对齐
1	异常	InstructionAccessFault	指令访问故障（如取指页面不存在）
2	异常	IllegalInstruction	非法指令
3	异常	Breakpoint	断点（调试）
4	异常	LoadAddressMisaligned	读地址未对齐
5	异常	LoadAccessFault	加载访问故障
6	异常	StoreAddressMisaligned	写地址未对齐
7	异常	StoreAccessFault	写访问故障
8	异常	EnvironmentCallFromUMode	U 模式发出的系统调用（ecall）
9	异常	EnvironmentCallFromSMode	S 模式发出的系统调用（ecall）
11	异常	EnvironmentCallFromMMode	M 模式发出的系统调用（ecall）
12	异常	InstructionPageFault	指令页错误（Sv32）
13	异常	LoadPageFault	加载页错误
15	异常	StorePageFault	存储页错误
0x80000000 + 3	中断	MachineSoftwareInterrupt	软件中断（由 MSIP 触发）
0x80000000 + 7	中断	MachineTimerInterrupt	定时器中断（mtimecmp）
0x80000000 + 11	中断	MachineExternalInterrupt	外部中断（PLIC）

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关于多任务

1. 协作式多任务 (Cooperative Multitasking)：

   协作式环境下，下一个任务被调度的前提是当前任务 主动放弃处理器。

2. 抢占式多任务 (Preemptive Multitasking)：

   抢占式环境下，操作系统完全决定任务调度方案，操 作系统可以剥夺当前任务对处理器的使用，将处理 器提供给其它任务。

其他参考资料

• https://github.com/oscomp/testsuits-for-oskernel/
• https://github.com/oscomp/oskernel-testsuits-cooperation