From bd13aecaa9dbdbfb559fc85f62a82a7721fc5441 Mon Sep 17 00:00:00 2001 From: ccckmit Date: Sun, 15 Nov 2020 19:30:57 +0800 Subject: [PATCH] finished 05-Preemptive.md --- 02-ContextSwitch/README.md | 2 +- 05-Preemptive/user.c | 6 - README.md | 5 +- doc/tw/01-HelloOs.md | 8 +- doc/tw/02-ContextSwitch.md | 2 +- doc/tw/03-MultiTasking.md | 2 +- doc/tw/04-TimerInterrupt.md | 6 +- doc/tw/05-Preemptive.md | 284 +++++++++++++++++++++++++++++++++++- doc/tw/README.md | 4 +- 9 files changed, 299 insertions(+), 20 deletions(-) diff --git a/02-ContextSwitch/README.md b/02-ContextSwitch/README.md index db1e0dc..f7bfd8f 100644 --- a/02-ContextSwitch/README.md +++ b/02-ContextSwitch/README.md @@ -2,7 +2,7 @@ ## Build & Run -``` +```sh user@DESKTOP-96FRN6B MINGW64 /d/ccc109/sp/11-os/mini-riscv-os/03-ContextSwitch (master) $ make clean rm -f *.elf diff --git a/05-Preemptive/user.c b/05-Preemptive/user.c index 353d98a..2fd11f9 100644 --- a/05-Preemptive/user.c +++ b/05-Preemptive/user.c @@ -3,24 +3,18 @@ void user_task0(void) { lib_puts("Task0: Created!\n"); - lib_puts("Task0: Now, return to kernel mode\n"); - os_kernel(); while (1) { lib_puts("Task0: Running...\n"); lib_delay(1000); - // os_kernel(); } } void user_task1(void) { lib_puts("Task1: Created!\n"); - lib_puts("Task1: Now, return to kernel mode\n"); - os_kernel(); while (1) { lib_puts("Task1: Running...\n"); lib_delay(1000); - // os_kernel(); } } diff --git a/README.md b/README.md index a50fc0c..960a2b0 100644 --- a/README.md +++ b/README.md @@ -6,9 +6,10 @@ Mini-riscv-os was inspired by [jserv](https://github.com/jserv)'s [mini-arm-os]( However, [ccckmit](https://github.com/ccckmit) rewrite the project for RISC-V, and run on Win10 instead of Linux. -## Prerequisites +## Build & Run on Windows 10 -* Win10 : [git-bash](https://git-scm.com/download/win) + [FreedomStudio](https://www.sifive.com/software) +* [git-bash](https://git-scm.com/download/win) +* [FreedomStudio](https://www.sifive.com/software) After download and extract the FreedomStudio for windows. You have to set the system PATH to the folder of `riscv64-unknown-elf-gcc/bin` and `riscv-qemu/bin`. For example, I set PATH to the following folders. diff --git a/doc/tw/01-HelloOs.md b/doc/tw/01-HelloOs.md index 507767c..3a74978 100644 --- a/doc/tw/01-HelloOs.md +++ b/doc/tw/01-HelloOs.md @@ -1,7 +1,11 @@ -# 01-HelloOs +# 01-HelloOs -- 嵌入式 RISC-V 輸出入程式 專案 -- https://github.com/ccc-c/mini-riscv-os/tree/master/01-HelloOs +在本系列的文章中，我們將介紹如何建構一個 RISC-V 處理器上的嵌入式作業系統，該作業系統名稱為 mini-arm-os 。(其實是一系列的程式，非單一系統) + +首先在本章中，我們將介紹一個最簡單可以印出 `Hello OS!` 的程式該怎麼寫！ + ## os.c https://github.com/ccc-c/mini-riscv-os/blob/master/01-HelloOs/os.c @@ -296,4 +300,4 @@ Hello OS! QEMU: Terminated ``` -這就是 RISC-V 嵌入式系統裏一個最簡單的 Hello 程式之基本樣貌了。 +這就是 RISC-V 嵌入式系統裏一個最簡單的 Hello 程式的基本樣貌了。 diff --git a/doc/tw/02-ContextSwitch.md b/doc/tw/02-ContextSwitch.md index 8181567..7f67ed2 100644 --- a/doc/tw/02-ContextSwitch.md +++ b/doc/tw/02-ContextSwitch.md @@ -1,4 +1,4 @@ -# 02-ContextSwitch +# 02-ContextSwitch -- RISC-V 的內文切換 專案 -- https://github.com/ccc-c/mini-riscv-os/tree/master/02-ContextSwitch diff --git a/doc/tw/03-MultiTasking.md b/doc/tw/03-MultiTasking.md index 1712283..9beb2a8 100644 --- a/doc/tw/03-MultiTasking.md +++ b/doc/tw/03-MultiTasking.md @@ -1,4 +1,4 @@ -# 03-MultiTasking +# 03-MultiTasking -- RISC-V 的協同式多工 [os.c]:https://github.com/ccc-c/mini-riscv-os/blob/master/03-MultiTasking/os.c diff --git a/doc/tw/04-TimerInterrupt.md b/doc/tw/04-TimerInterrupt.md index 8053b60..b98b5b6 100644 --- a/doc/tw/04-TimerInterrupt.md +++ b/doc/tw/04-TimerInterrupt.md @@ -1,4 +1,4 @@ -# 04-TimerInterrupt +# 04-TimerInterrupt -- RISC-V 的時間中斷 [os.c]:https://github.com/ccc-c/mini-riscv-os/blob/master/04-TimerInterrupt/os.c @@ -8,9 +8,9 @@ 專案 -- https://github.com/ccc-c/mini-riscv-os/tree/master/04-TimerInterrupt -在前一章的 [03-MultiTasking](03-MultiTasking.md) 中我們實作了一個《協同式多工》作業系統。但是由於沒有引入時間中斷機制，無法成為一個《搶先式》(Preemptive) 多工系統。 +在前一章的 [03-MultiTasking](03-MultiTasking.md) 中我們實作了一個《協同式多工》作業系統。不過由於沒有引入時間中斷機制，無法成為一個《搶先式》(Preemptive) 多工系統。 -本章將為第五章的《搶先式多工系統》鋪路，介紹如何在 RISC-V 處理器中使用《時間中斷機制》。有了時間中斷之後，我們就可以定時強制取回控制權，而不用害怕惡霸行程佔據系統而不歸還控制權給作業系統了。 +本章將為第五章的《搶先式多工系統》鋪路，介紹如何在 RISC-V 處理器中使用《時間中斷機制》。有了時間中斷之後，我們就可以定時強制取回控制權，而不用害怕惡霸行程佔據系統，不歸還控制權給作業系統了。 ## 系統執行 diff --git a/doc/tw/05-Preemptive.md b/doc/tw/05-Preemptive.md index adb0cef..9054c22 100644 --- a/doc/tw/05-Preemptive.md +++ b/doc/tw/05-Preemptive.md @@ -1,5 +1,287 @@ -# 05-Preemptive +# 05-Preemptive -- RISC-V 的嵌入式作業系統 + +[lib.c]:https://github.com/ccc-c/mini-riscv-os/blob/master/05-Preemptive/lib.c + +[os.c]:https://github.com/ccc-c/mini-riscv-os/blob/master/05-Preemptive/os.c + +[timer.c]:https://github.com/ccc-c/mini-riscv-os/blob/master/05-Preemptive/timer.c + +[sys.s]:https://github.com/ccc-c/mini-riscv-os/blob/master/05-Preemptive/sys.s + +[task.c]:https://github.com/ccc-c/mini-riscv-os/blob/master/05-Preemptive/task.c + +[user.c]:https://github.com/ccc-c/mini-riscv-os/blob/master/05-Preemptive/user.c 專案 -- https://github.com/ccc-c/mini-riscv-os/tree/master/05-Preemptive +第三章的 [03-MultiTasking](03-MultiTasking.md) 中我們實作了一個《協同式多工》作業系統。不過由於沒有引入時間中斷機制，無法成為一個《搶先式》(Preemptive) 多工系統。 + +第四章的 [04-TimerInterrupt](04-TimerInterrupt.md) 中我們示範了 RISC-V 的時間中斷機制原理。 + +終於到了第五章，我們打算結合前兩章的技術，實作一個具有強制時間中斷的《可搶先式》(Preemptive) 作業系統。這樣的系統就可以算是一個微型的嵌入式作業系統了。 + +## 系統執行 + +首先讓我們和看系統的執行狀況，您可以看到下列執行結果中，系統在 OS, Task0, Task1 之間輪流的切換著。 + +```sh +$ make qemu +Press Ctrl-A and then X to exit QEMU +qemu-system-riscv32 -nographic -smp 4 -machine virt -bios none -kernel os.elf +OS start +OS: Activate next task +Task0: Created! +Task0: Running... +Task0: Running... +Task0: Running... +timer_handler: 1 +OS: Back to OS + +OS: Activate next task +Task1: Created! +Task1: Running... +Task1: Running... +Task1: Running... +timer_handler: 2 +OS: Back to OS + +OS: Activate next task +Task0: Running... +Task0: Running... +Task0: Running... +timer_handler: 3 +OS: Back to OS + +OS: Activate next task +Task1: Running... +Task1: Running... +Task1: Running... +timer_handler: 4 +OS: Back to OS + +OS: Activate next task +Task0: Running... +Task0: Running... +Task0: Running... +QEMU: Terminated +``` + +這個狀況和第三章的 [03-MultiTasking](03-MultiTasking.md) 非常類似，都是如下的執行順序。 + +``` +OS=>Task0=>OS=>Task1=>OS=>Task0=>OS=>Task1 .... +``` + +唯一不同的是，第三章的使用者行程必須主動透過 os_kernel() 歸還控制權給作業系統， + +```cpp +void user_task0(void) +{ + lib_puts("Task0: Created!\n"); + lib_puts("Task0: Now, return to kernel mode\n"); + os_kernel(); + while (1) { + lib_puts("Task0: Running...\n"); + lib_delay(1000); + os_kernel(); + } +} +``` + +但是在本章的 [05-Preemptive](05-Preemptive.md) 中，使用者行程不需要主動交還給 OS，而是由 OS 透過時間中斷強制進行切換動作。 + +```cpp +void user_task0(void) +{ + lib_puts("Task0: Created!\n"); + while (1) { + lib_puts("Task0: Running...\n"); + lib_delay(1000); + } +} +``` + +其中的 [lib.c] 裏的 lib_delay 其實是個延遲迴圈，並不會交還控制權。 + +```cpp +void lib_delay(volatile int count) +{ + count *= 50000; + while (count--); +} +``` + +相反的，作業系統會透過時間中斷，強制取回控制權。(由於 lib_delay 延遲較久，所以作業系統通常會打斷其 `while (count--)` 的迴圈取回控制權) + +## 作業系統 [os.c] + +* https://github.com/ccc-c/mini-riscv-os/blob/master/05-Preemptive/os.c + +作業系統 os.c 一開始會呼叫 user_init() ，讓使用者建立 task (在本範例中會在 [user.c] 裏建立 user_task0 與 user_task1。 + +```cpp +#include "os.h" + +void user_task0(void) +{ + lib_puts("Task0: Created!\n"); + while (1) { + lib_puts("Task0: Running...\n"); + lib_delay(1000); + } +} + +void user_task1(void) +{ + lib_puts("Task1: Created!\n"); + while (1) { + lib_puts("Task1: Running...\n"); + lib_delay(1000); + } +} + +void user_init() { + task_create(&user_task0); + task_create(&user_task1); +} +``` + +然後作業系統會在 os_start() 裏透過 timer_init() 函數設定時間中斷，接著就是進入 os_main() 的主迴圈裏，該迴圈採用 Round-Robin 的大輪迴排班方法，每次切換就選下一個 task 來執行 (若已到最後一個 task ，接下來就是第 0 個 task)。 + +```cpp + +#include "os.h" + +void os_kernel() { + task_os(); +} + +void os_start() { + lib_puts("OS start\n"); + user_init(); + timer_init(); // start timer interrupt ... +} + +int os_main(void) +{ + os_start(); + + int current_task = 0; + while (1) { + lib_puts("OS: Activate next task\n"); + task_go(current_task); + lib_puts("OS: Back to OS\n"); + current_task = (current_task + 1) % taskTop; // Round Robin Scheduling + lib_puts("\n"); + } + return 0; +} +``` + +05-Preemptive 的時間中斷原理和上一章相同，都是在 [timer.c] 的 timer_init() 中設定好第一次的時間中斷。 + +```cpp +#include "timer.h" + +extern void os_kernel(); + +// a scratch area per CPU for machine-mode timer interrupts. +reg_t timer_scratch[NCPU][5]; + +void timer_init() +{ + // each CPU has a separate source of timer interrupts. + int id = r_mhartid(); + + // ask the CLINT for a timer interrupt. + // int interval = 1000000; // cycles; about 1/10th second in qemu. + int interval = 20000000; // cycles; about 2 second in qemu. + *(reg_t*)CLINT_MTIMECMP(id) = *(reg_t*)CLINT_MTIME + interval; + + // prepare information in scratch[] for timervec. + // scratch[0..2] : space for timervec to save registers. + // scratch[3] : address of CLINT MTIMECMP register. + // scratch[4] : desired interval (in cycles) between timer interrupts. + reg_t *scratch = &timer_scratch[id][0]; + scratch[3] = CLINT_MTIMECMP(id); + scratch[4] = interval; + w_mscratch((reg_t)scratch); + + // set the machine-mode trap handler. + w_mtvec((reg_t)sys_timer); + + // enable machine-mode interrupts. + w_mstatus(r_mstatus() | MSTATUS_MIE); + + // enable machine-mode timer interrupts. + w_mie(r_mie() | MIE_MTIE); +} + +static int timer_count = 0; + +void timer_handler() { + lib_printf("timer_handler: %d\n", ++timer_count); + os_kernel(); +} + +``` + +但不同的是，[sys.s] 裏的 sys_timer 會呼叫上面 [timer.c] 裏的 timer_handler()，其中包含了 `os_kernel()` 這個函數，該函數會呼叫 [task.c] 裏的 task_os()， task_os() 會呼叫 [sys.s] 裏的 sys_switch 去切換回 kernel，於是作業系統就透過時間中斷將控制權強制取回來了。 + +```s +# ... +sys_switch: + ctx_save a0 # a0 => struct context *old + ctx_load a1 # a1 => struct context *new + ret # pc=ra; swtch to new task (new->ra) +# ... +sys_kernel: + addi sp, sp, -128 # alloc stack space + reg_save sp # save all registers + call timer_handler # call timer_handler in timer.c + reg_load sp # restore all registers + addi sp, sp, 128 # restore stack pointer + jr a7 # jump to a7=mepc , return to timer break point +# ... +sys_timer: +# ... + csrr a7, mepc # a7 = mepc, for sys_kernel jump back to interrupted point + la a1, sys_kernel # mepc = sys_kernel + csrw mepc, a1 # mret : will jump to sys_kernel +# ... +``` + +透過時間中斷強制取回控制權，我們就不用擔心有惡霸行程把持 CPU 不放，系統也就不會被惡霸卡住而整個癱瘓了，這就是現代作業系統中最重要的《行程管理機制》。 + +雖然 mini-riscv-os 只是個微型的嵌入式作業系統，但是仍然透過相對精簡的程式碼，示範了一個具體而微的《可搶先作業系統》之設計原理。 + +當然，學習《作業系統設計》的道路還很長，mini-riscv-os 沒有《檔案系統》，而且我還沒學會 RISC-V 當中的 super mode 與 user mode 之控制與切換方式，也還沒引入 RISC-V 的虛擬記憶體機制，因此本章的程式碼仍然只有使用 machine mode，因此沒辦法提供較完整的《權限與保護機制》。 + +還好，這些事情已經有人做好了，您可以透過學習 xv6-riscv 這個由 MIT 所設計的教學型作業系統，進一步了解這些較複雜的機制，xv6-riscv 的原始碼總共有八千多行，雖然不算太少，但是比起那些動則數百萬行到數千萬行的 Linux / Windows 而言，xv6-riscv 算是非常精簡的系統了。 + +* https://github.com/mit-pdos/xv6-riscv + +然而 xv6-riscv 原本只能在 linux 下編譯執行，但是我把其中的 mkfs/mkfs.c 修改了一下，就能在 windows + git bash 這樣和 mini-riscv-os 一樣的環境下編譯執行了。 + +您可以從下列網址中取得 windows 版的 xv6-riscv 原始碼，然後編譯執行看看，應該可以站在 mini-riscv-os 的基礎上，進一步透過 xv6-riscv 學習更進階的作業系統設計原理。 + +* https://github.com/ccc-c/xv6-riscv-win + +以下提供更多關於 RISC-V 的學習資源，以方便大家在學習 RISC-V 作業系統設計時，不需再經過太多的摸索。 + +* [RISC-V 手册 - 一本开源指令集的指南 (PDF)](http://crva.ict.ac.cn/documents/RISC-V-Reader-Chinese-v2p1.pdf) +* [The RISC-V Instruction Set Manual Volume II: Privileged Architecture Privileged Architecture (PDF)](https://riscv.org//wp-content/uploads/2019/12/riscv-spec-20191213.pdf) +* [RISC-V Assembly Programmer's Manual](https://github.com/riscv/riscv-asm-manual/blob/master/riscv-asm.md) +* https://github.com/riscv/riscv-opcodes + * https://github.com/riscv/riscv-opcodes/blob/master/opcodes-rv32i +* [SiFive Interrupt Cookbook (SiFive 的 RISC-V 中斷手冊)](https://gitlab.com/ccc109/sp/-/blob/master/10-riscv/mybook/riscv-interrupt/sifive-interrupt-cookbook-zh.md) +* [SiFive Interrupt Cookbook -- Version 1.0 (PDF)](https://sifive.cdn.prismic.io/sifive/0d163928-2128-42be-a75a-464df65e04e0_sifive-interrupt-cookbook.pdf) +* 進階: [proposal for a RISC-V Core-Local Interrupt Controller (CLIC)](https://github.com/riscv/riscv-fast-interrupt/blob/master/clic.adoc) + +希望這份 mini-riscv-os 教材能幫助讀者在學習 RISC-V OS 設計上節省一些寶貴的時間！ + + 陳鍾誠 2020/11/15 於金門大學 + + + diff --git a/doc/tw/README.md b/doc/tw/README.md index 4748752..8032a6d 100644 --- a/doc/tw/README.md +++ b/doc/tw/README.md @@ -1,6 +1,4 @@ -# mini-riscv-os - -一步一步自製嵌入式作業系統 +# mini-riscv-os -- 一步一步自製 RISC-V 處理器上的嵌入式作業系統 ## 簡介