2021-08-01发表2021-08-01更新Programming12 分钟读完 (大约1728个字)

使用Rust在树莓派上编写操作系统 - 00 - 前言

本文前半部分内容翻译自原文：Before we start；原项目：Operating System development tutorials in Rust on the Raspberry Pi

在我们开始之前

以下文本是文档的1:1副本，会出现在每章教程所对应的内核主要源文件的顶部。文档描述了相应源文件的结构，并尝试解释该实现背后的原理。请阅读该文档，以熟悉将会在教程中遇到的内容，文档将帮助你更好地浏览代码，并理解每一章教程之间的递进关系。

另请注意，以下文本将引用第一批教程中尚不存在的源文件（如**/memory.rs）或函数。随着教程的推进，它们将逐渐被添加。

玩得开心！

代码组织和架构

代码分为不同的模块，每个模块代表一个典型的内核子系统。子系统的顶层模块文件直接位于src文件夹中。例如，src/memory.rs将包含与所有内存管理相关的代码。

处理器架构代码的可见性

内核的某些子系统基于特定目标处理器架构的底层代码。对于每个支持的处理器架构，在src/_arch中都存在一个子文件夹，例如，src/_arch/aarch64。

这些架构文件夹反映了在src中布置的子系统模块。例如，属于内核MMU子系统（src/memory/mmu.rs）的架构相关代码将位于src/_arch/aarch64/memory/mmu.rs。里面的文件将以模块的方式，通过path属性加载到src/memory/mmu.rs中。通常使用以arch_为前缀，后接通用模块名称，作为导入的模块名称。

例如，这是src/memory/mmu.rs的前几行：

1
2
3

#[cfg(target_arch = "aarch64")]
#[path = "../_arch/aarch64/memory/mmu.rs"]
mod arch_mmu;

大多数情况下，arch_module中的项会被父模块以公开方式重导出。如此，针对各架构的模块就可以对外提供其各项实现，而调用者不必关心哪个架构已经被条件编译了。

BSP代码

BSP即Board Support Package。BSP代码位于src/bsp.rs下，包含目标板特定的变量和函数，例如目标板内存的映射、目标板特有设备的驱动程序实例之类的东西。

就像处理器架构代码那样，BSP代码的模块结构，类似内核子系统代码的模块结构，只不过这次没有重导出。这意味着必须从bsp命名空间开始调用其提供的任何内容，例如bsp::driver::driver_manager()。

内核接口

arch和bsp都包含条件编译的代码，具体取决于编译内核的目标环境和板卡。例如，树莓派3和树莓派4的中断控制器的硬件是不同的，但我们希望其余的内核能够很方便地与两者中的任何一个一起使用。

为了在arch、bsp和通用内核代码之间提供一个清晰的抽象，我们在只要有可能且有意义的地方封装了interfacetrait。这些trait定义在各子系统模块中，以强制我们实现面向接口编程，而是不面向实现编程。例如，将有一个通用IRQ处理接口，由两个版本树莓派各自的中断控制器驱动实现，并且只将该接口导出到内核的其余部分。

        +-------------------+
        | Interface (Trait) |
        |                   |
        +--+-------------+--+
           ^             ^
           |             |
           |             |
+----------+--+       +--+----------+
| kernel code |       |  bsp code   |
|             |       |  arch code  |
+-------------+       +-------------+

总结

对于逻辑内核子系统，相应的代码可以分发在不同的物理位置。以内存子系统为例：

src/memory.rs与src/memory/**/*：
- 通用代码并不知道目标处理器架构和BSP特征。
  - 示例：一个用于将内存块归零的函数。
- 由arch或BSP中的代码实现的内存子系统的接口。
  - 示例：定义MMU函数原型的MMU接口。
src/bsp/__board_name__/memory.rs与src/bsp/__board_name__/memory/**/*：
- 特定BSP的代码。
- 示例：特定板子的内存映射（DRAM和MMIO设备的物理地址）。
src/_arch/__arch_name__/memory.rs与src/_arch/__arch_name__/memory/**/*：
- 特定处理器架构的代码。
- 示例：实现__arch_name__处理器架构的MMU接口。

从名称空间的角度来看，内存子系统代码位于：

crate::memory::*
crate::bsp::memory::*

启动流程

内核的入口点是函数cpu::boot::arch_boot::_start()。

其实现位于src/_arch/__arch_name__/cpu/boot.rs。

下面不是翻译，是我写的使用方法。

下载

直接克隆本教程即可使用：

1	gh repo clone rust-embedded/rust-raspberrypi-OS-tutorials

rust-analyzer

我的macOS貌似通过macports装了另一个版本的Rust，要知道通过rustup安装的Rust位于~/.cargo/bin/中，而port安装的Rust位于/opt/local/bin/中。这导致vscode启动时，默认加载的环境变量可能会使用port的版本，而该版本并不是rustup安装的，可能缺少rust-src等组件，这会导致rust-analyzer工作异常。尝试解决：

😕 直接export环境变量后启动vscode，能解决问题，但是每次启动很麻烦，并不优雅。
😕 修改shell的各个profile环境变量，但是这会牵连出很多未知问题，因为可能影响到其他程序的环境变量搜索顺序。（附：shell各profile的加载顺序介绍1 2）
😕 尝试修改rust项目中配置文件的rustc设置，发现对rust-analyzer并不起作用。
😕 直接卸载port版本，简单有效，但是由于忘记了port版本是不是我有意识安装的，所以并不知道会不会对其他程序产生影响。
🎉 修改vscode的rust-analyzer插件的extraEnv配置，该配置位于：扩展: rust-analyzer -> 扩展设置 -> 搜索extraEnv -> 在 setting.json 中编辑，打开编辑器，向extraEnv字典新增两行路径：
setting.json
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"rust-analyzer.server.extraEnv": {
"RUSTC": "/Users/zealot/.cargo/bin/rustc",
"RUSTDOC": "/Users/zealot/.cargo/bin/rustdoc"
}
重新加载即可。

运行

自第一章起，每一章都是一个可执行的小系统，比如进入01_WAIT_FOREVER目录，即可执行make qemu来编译，并在虚拟环境中运行内核。

#Rust Raspberry Pi Operating System