飓风内核

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，旨在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。

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;
    // 实例化共享调度器
    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();
}

系统架构

如何执行异步任务

如何运行

如果您已经能够运行rCore-Tutorial，那么您的环境已经能满足编译飓风内核的要求，不需要再次安装构建工具，请直接开始下一步。

首先需要准备构建工具：

• Rust 环境(nightly-2021-03-01或以上)，安装方法
• qemu-system-riscv64(请使用 5.2.0 版本)，qemu安装方法
• riscv64-linux-gnu-系列或riscv64-unknown-elf-系列两种常用的RISC-V工具链，或Rust嵌入式社区的cargo-binutils工具链，其中riscv64-linux-gnu在Ubuntu平台可以使用apt直接安装，cargo-binutils按照github说明安装即可。
• 调试工具(可选)：RISC-V 指令集支持的 gdb

演示视频链接：https://pan.baidu.com/s/11U0_G3tufcu9fksLHryAYQ, 提取码：cym9

下载源码：

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

在qemu上运行：

cd tornado-os
cargo mkfs # 生成文件镜像
cargo qemu # 运行qemu模拟器

其中，cargo mkfs将生成文件的镜像，它需要在Linux或macOS系统下运行；如果开发环境是Windows，可以考虑在WSL下开发项目。 cargo qemu能在任何的操作系统下运行。

项目直接使用xtask写法，所以不需要安装make、just等脚本工具。如果在编写的过程中要求输入账号密码，可能因为xtask写法而输入失败。 这时候可以使用sudo su等需要特权的Linux命令，输入密码后退出su环境，当前控制台暂时保存权限，此时再运行命令就不需要输入密码了。

在k210上运行：
首先制作sd卡，将sd卡放入读卡器中，连接到PC端，确认您的sd卡分区，假设是/dev/sdb，然后运行以下命令：

cargo mkfs # 生成文件镜像
sudo dd if=fs.img of=/dev/sdb count=1440k # 将文件镜像写入到sd卡中
# 上面这条命令如果长时间没结束可以直接Ctrl+C退出，文件镜像依然会写入到sd卡中

然后将sd卡从读卡器中拔出来插入到k210板子上，将k210板子连接到PC端。 接下来检查您的USB串口，运行命令：

cargo detect

终端会打印出当前您的k210板子对应的USB串口，这里假设是/dev/ttyUSB0。

最后运行命令：

sudo chmod 777 /dev/ttyUSB0 # windows平台不需要这步
cargo k210 # 将内核二进制文件烧写到k210中运行

note: k210模式下按Ctrl + ]退出。

如果您需要运行数据库测例，这个样例程序需要额外的依赖库才能运行。请输入cargo mkfs --db来编译，来选择这些依赖库。

演示程序说明请参考这里。

Features

目录介绍

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。

开发文档

• 项目大纲文档，pdf
• doc目录
  • 第一章-飓风内核设计
  • 第二章-共享调度器设计与实现
  • 第三章-内核任务与内核执行器
  • 第四章-用户执行器与yield系统调用
  • 第五章-virtio异步块设备驱动
  • 第六章-异步fat32文件系统
  • 第七章-异步IO系统调用
  • 第八章-飓风内核的上层应用兼容性
  • 第九章-性能测试
  • 第十章-用户程序演示说明
• 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

TODO

• 从内核层面提供异步网络IO(异步网络协议栈)
• 更全面，更系统的性能测试分析
• 多核环境下的上下文管理机制

开源协议

本项目使用双开源协议：

• 木兰许可证
• Apache

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性能测试结果