RustでOS開発はじめの一歩 UV Study: Rust LT会 Dec. 19 2023 - nasa

発表のモチベ ● 最近RustでOSを書いている ● これまでCLIツールやライブラリをRustで実装してきた ● OSだと普段書いているコードが普通には動作しない ● どんな違いがあるのか話したい

動作環境 ● platform: QEMU riscv64 ● build target: riscv64gc-unknown-none-elf # .cargo/config.toml [build] target = "riscv64gc-unknown-none-elf" [target.riscv64gc-unknown-none-elf] runner = """ qemu-system-riscv64 \ -machine virt \ -bios default \ --no-reboot \ -nographic \ -serial mon:stdio \ -kernel """

ベアメタル環境 ● OSによりプログラムがホスティングされない ● 自分の書いたプログラムを動かし始めるまでの環境がない ● time, io, fsなどOSの上に構成されている標準機能が使えない ● メモリアロケーターも無いのでVec, String等が使えない

ベアメタル環境

main関数を動かす

main関数を動かす QEMU riscvのdefault biosは0x80200000を実行する

main関数を動かす プログラムを0x8020_0000に配置し呼出す

main関数を動かす リンカースクリプトで任意の アドレスにプログラムを配置する .entryシンボルを8020_0000に配置 OUTPUT_ARCH( "riscv" ) ENTRY( _entry ) SECTIONS { . = 0x80200000; .text : { *(.entry) *(.text .text.*) } .rodata : { *(.rdata .rodata .rodata.*) } .data : { *(.data .data.*) } .bss : { *(.bss bss.*) } }

main関数を動かす main.rsで.entryを定義 これで関数_entryが呼ばれる // src/main.rs #![no_std] #![no_main] #[no_mangle] #[link_section = ".entry"] pub fn _entry() { main(); } #[inline] fn main() { loop {} } #[panic_handler] fn panic(_info: &core::panic::PanicInfo) -> ! { loop {} }

関数呼び出しをサポートしたい

関数呼び出し みんな大好き関数呼び出し。 というかプログラムを書く上でほぼ必須 ● 関数呼び出しが出来ない。。 ● inlineオプションを付けると呼び出せる fn a() { b() } fn b() { c() } pub fn _entry() { main(); } #[inline] fn main() { loop {} }

関数呼び出し ● 関数呼び出しが出来ない。。 ● inlineオプションを付けると呼び出せる ● (正確には関数を呼ぶとローカル変数の値がおかしくなる) なぜこれらが起きるのか

関数呼び出し ● 関数呼び出し時にスタック領域が確保される ● しかしSPの初期値は0 ● SPを初期化する必要があった

関数呼び出し // src/main.rs static INIT_SP: [u8; 4096 * 1024] = [0; 4096 * 1024]; static STACK_SIZE: usize = 4096 * 1024; // 4MB pub unsafe fn _entry() { // NOTE: スタックポインタの初期値を設定する // NOTE: スタックは下位に伸びていくのでINIT_SP + STACK_SIZEを設定 しSTACK_SIZE分の領域を確保 asm!("la sp, INIT_SP", "ld a0, STACK_SIZE", "add sp, sp, a0",); main(); } SPを初期化 誰からも変更されないように配列を定義し末尾アドレスを利用

動的メモリ確保したい

動的メモリ確保 StringやVec,Boxが普通に使いたくなる これらはallocクレートに定義されている (stdが存在する場合はstdの一部)

動的メモリ確保 allocを使うにはメモリアロケーターを実装する必要がある (heaplessクレートを利用するとアロケーターの実装無しでString, Vec等が使 える)

メモリアロケーターの実装 global_allocatorディレクティブで登録出来る GlobalAllocトレイトを実装している必要がある #[global_allocator] static mut ALLOCATOR: BumpAllocator = BumpAllocator::new(); pub struct BumpAllocator { arena: RefCell<[u8; ARENA_SIZE]>, next: Cell, } unsafe impl GlobalAlloc for BumpAllocator { unsafe fn alloc(&self, layout: Layout) -> *mut u8 {} unsafe fn dealloc(&self, _ptr: *mut u8, _layout: Layout) {} }

メモリアロケーターの実装 bump allocatorを採用 heapの始点から終点まで順次割り当 てていくだけ フラグメンテーションを一切考慮してい ない 実装が超簡単なので採用

まとめ

まとめ ● 普段Rustを書く時に色んなものに乗っかっている事が分かった ● OSの機能以外にブート、メモリアロケーター、スタックポインタを気にする 必要があった 「俺の戦いはこれからだ！！」

自己紹介 HN: nasa (Asan Kondo) nasaが欲しい ● github: k-nasa ● x(twitter): nasa_desu お仕事: MLOpsっぽいこと、DSの生産性改善

(余談) 遭遇したバグたち ● 一度出力した文字が出力できない 「Hel?o W?r?d.」が出力される ○ 原因: SP初期化していないから ● カーネル起動時に有効化していないタイマ割り込みが発生して死ぬ ○ 原因1: エラーコードがズレてた。。本当は`address misaligned` ○ 原因2: アライメントを考慮していなかった ● プロセス切り替え時にSPが意図通り切り替わらない ○ 原因: 調査中。涙

ご清聴ありがとうございました!