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环境部署

在开展实验之前，我们需要根据不同的平台提前安装相关依赖的软件包，具体需要的软件包如下：

  • Rust 工具链
    • Rust 版本管理工具：rustup
    • Rust 软件包管理工具：cargo
    • Rust 编译器：rustc
    • 等等
  • 虚拟机软件：QEMU （版本至少支持 RISC-V 64）

具体安装的方法在不同平台上安装方式类似，但也有细微差别，后面会有具体说明。

安装 QEMU

根据不同平台，我们分为下面 3 个部分来介绍。

macOS

在 macOS 中，我们可以直接打开命令行用 Homebrew 软件包管理器来安装最新版 QEMU 和其依赖：

{% label %}运行命令{% endlabel %}

brew install qemu

Linux

在 Linux 中，由于很多软件包管理器的默认软件源中包含的 QEMU 版本过低，这里推荐的方式是我们自己手动从源码编译安装：

{% label %}运行命令{% endlabel %}

# 下载源码包 （如果下载速度过慢可以把地址替换为我们提供的地址：http://42.194.184.212:5212/#/s/4dHZ）
wget https://download.qemu.org/qemu-5.0.0.tar.xz
# 解压
tar xvJf qemu-5.0.0.tar.xz
# 编译安装并配置 RISC-V 支持
cd qemu-5.0.0
./configure --target-list=riscv32-softmmu,riscv64-softmmu
make -j$(nproc)
sudo make install

如果在运行 configure 时遇到软件包依赖的问题（以 Ubuntu 系统举例）：

  • 出现 ERROR: pkg-config binary 'pkg-config' not found 时，可以通过 sudo apt-get install pkg-config 安装；
  • 出现 ERROR: glib-2.48 gthread-2.0 is required to compile QEMU 时，可以通过 sudo apt-get install libglib2.0-dev 安装；
  • 出现 ERROR: pixman >= 0.21.8 not present 时，可以通过 sudo apt-get install libpixman-1-dev 安装。

如果有其他问题，请针对不同操作系统在软件包管理器中查找并安装依赖。

当然如果你可以找到包含较新版本的 QEMU 的软件包源，也可以通过软件包管理器直接安装：

{% label %}运行命令{% endlabel %}

# Ubuntu / Debian / Windows WSL
sudo apt-get install qemu

# CentOS / Fedora / RedHat / SUSE
sudo yum install qemu

Windows WSL 2

WSL（Windows Subsystem for Linux）是指 Windows 下构建 Linux 环境。你可以在使用 Windows 的同时，方便地进行 Linux 下的开发，并且 Linux 子系统上可以访问 Windows 的文件系统。但是，WSL 在安装 Rust 时会出现环境配置方面的问题，因此这里我们采用新版的 WSL，即 WSL 2。

注意 Ubuntu18.04 版本可以正常进行实验，而 Ubuntu20.04 版本会有一些小问题。

WSL 2 和 Ubuntu 环境安装步骤：

  • 升级 Windows 10 到最新版（Windows 10 版本 18917 或以后的内部版本）
    • 如果不是 Windows 10 专业版，可能需要手动更新，在微软官网上下载。否则，WSL 功能可能不能启动
    • 在 PowerShell 中输入 winver 查看内部版本号
  • 「Windows 设置 > 更新和安全 > Windows 预览体验计划」处选择加入，Dev 开发者模式
  • 打开 PowerShell 终端（管理员身份），输入：

{% label %}运行命令{% endlabel %}

# 启用 Windows 功能：“适用于 Linux 的 Windows 子系统”
dism.exe /online /enable-feature /featurename:Microsoft-Windows-Subsystem-Linux /all /norestart

# 启用 Windows 功能：“已安装的虚拟机平台”
dism.exe /online /enable-feature /featurename:VirtualMachinePlatform /all /norestart

# <Distro> 改为对应从微软应用商店安装的 Linux 版本名，比如：`wsl --set-version Ubuntu 2`
# 如果你没有提前从微软应用商店安装任何 Linux 版本，请跳过此步骤
wsl --set-version <Distro> 2

# 设置默认为 WSL 2，如果 Windows 版本不够，这条命令会出错
wsl --set-default-version 2
  • 在微软商店（Microsoft Store）中搜索 Ubuntu，安装第一个（或者你想要的版本）
    • 在此处下载 WSL 2 的 Linux 内核更新包
    • 安装完成后，打开 Ubuntu，进行初始化
  • 回到 PowerShell 终端，输入：

{% label %}运行命令{% endlabel %}

# 查看 WSL 的版本是否为 2
# 可简写为 `wsl -l -v`
wsl --list --verbose
  • 若得到的版本信息正确，结束。WSL 2 和 Ubuntu 环境安装完毕。

在构建完成 WSL 2 + Ubuntu 环境后，可以在 Windows 的 Linux 子系统下便捷地部署 Linux 环境。请查看上文 Linux 环境搭建步骤。

完成后

安装完成后可以用 qemu-system-riscv64 --version 命令检查是否成功安装我们需要的 RISC-V 64 虚拟器。

安装 Rust 工具链

首先安装 Rust 版本管理器 rustup 和 Rust 包管理器 cargo，这里我们用官方的安装脚本来安装：

{% label %}运行命令{% endlabel %}

curl https://sh.rustup.rs -sSf | sh

如果通过官方的脚本下载失败了，可以在浏览器的地址栏中输入 https://sh.rustup.rs 来下载脚本，在本地运行即可。

如果官方的脚本在运行时出现了网络速度较慢的问题，可选地可以通过修改 rustup 的镜像地址（修改为中国科学技术大学的镜像服务器）来加速：

{% label %}运行命令{% endlabel %}

export RUSTUP_DIST_SERVER=https://mirrors.ustc.edu.cn/rust-static
export RUSTUP_UPDATE_ROOT=https://mirrors.ustc.edu.cn/rust-static/rustup
curl https://sh.rustup.rs -sSf | sh

或者也可以通过在运行前设置命令行中的科学上网代理来实现：

{% label %}运行命令{% endlabel %}

# e.g. Shadowsocks 代理
export https_proxy=http://127.0.0.1:1080
export http_proxy=http://127.0.0.1:1080
export ftp_proxy=http://127.0.0.1:1080

安装完成后，我们可以重新打开一个终端来让之前设置的环境变量生效。我们也可以手动将环境变量设置应用到当前终端，只需要输入以下命令：

source $HOME/.cargo/env

接下来，我们可以确认一下我们正确安装了 Rust 工具链：

rustc --version

可以看到当前安装的工具链的版本。

rustc 1.46.0-nightly (7750c3d46 2020-06-26)

我们最好把软件包管理器 cargo 所用的软件包镜像地址 crates.io 也换成中国科学技术大学的镜像服务器来加速三方库的下载。我们打开（如果没有就新建）~/.cargo/config 文件，并把内容修改为：

{% label %}~/.cargo/config{% endlabel %}

[source.crates-io]
registry = "https://github.com/rust-lang/crates.io-index"
replace-with = 'ustc'
[source.ustc]
registry = "git://mirrors.ustc.edu.cn/crates.io-index"

安装完成后

在相关软件包安装完成之后，只需要下面的命令，就可以把整个教程完成之后的 rCore 系统在你的系统上运行起来：

{% label %}运行命令{% endlabel %}

# 克隆仓库并编译运行
git clone https://github.com/rcore-os/rCore-Tutorial
cd rCore-Tutorial
git checkout master

# 添加一些编译依赖
# 增加RISC-V三元组
rustup target add riscv64imac-unknown-none-elf
# 增加需要的 cargo-binutils
cargo install cargo-binutils
rustup component add llvm-tools-preview

# 编译运行
make run

如果一切正常，则 QEMU 模拟的 RISC-V 64 处理器将输出

{% label %}运行输出{% endlabel %}

OpenSBI v0.5 (Oct  9 2019 12:03:04)
   ____                    _____ ____ _____
  / __ \                  / ____|  _ \_   _|
 | |  | |_ __   ___ _ __ | (___ | |_) || |
 | |  | | '_ \ / _ \ '_ \ \___ \|  _ < | |
 | |__| | |_) |  __/ | | |____) | |_) || |_
  \____/| .__/ \___|_| |_|_____/|____/_____|
        | |
        |_|

Platform Name          : QEMU Virt Machine
Platform HART Features : RV64ACDFIMSU
Platform Max HARTs     : 8
Current Hart           : 0
Firmware Base          : 0x80000000
Firmware Size          : 116 KB
Runtime SBI Version    : 0.2

PMP0: 0x0000000080000000-0x000000008001ffff (A)
PMP1: 0x0000000000000000-0xffffffffffffffff (A,R,W,X)
mod memory initialized
mod interrupt initialized
mod driver initialized
.
..
hello_world
notebook
mod fs initialized
hello from kernel thread 7
thread 7 exit
hello from kernel thread 6
thread 6 exit
hello from kernel thread 5
thread 5 exit
hello from kernel thread 4
thread 4 exit
hello from kernel thread 3
thread 3 exit
hello from kernel thread 1
thread 1 exit
hello from kernel thread 8
thread 8 exit
hello from kernel thread 2
thread 2 exit
src/process/processor.rs:87: 'all threads terminated, shutting down'

需要说明的是，Rust 包含 stable、beta 和 nightly 三个版本。默认情况下我们安装的是 stable 稳定版。由于在编写操作系统时需要使用 Rust 的一些不稳定的实验功能，因此我们使用 nightly 每日构建版。

但是，由于官方不保证 nightly 版本的 ABI 稳定性，也就意味着今天写的代码用未来的 nightly 可能无法编译通过，因此一般在使用 nightly 时应该锁定一个日期。

所以我们的工作目录下会有一个名为 rust-toolchain 的文件（无后缀名），在其中有所需的工具链版本：

{% label %}rust-toolchain{% endlabel %}

nightly-2020-06-27

在第一次编译项目时，rustup 会自动去下载对应版本的工具链。今后所有在这个目录或其子目录下使用 Rust 时都会自动切换到这个版本的工具链。随着日后的更新，后面的日期可能会变化，请以 GitHub 仓库上的版本为准。

万事俱备，让我们正式开始实验吧！