操作系统（OS）内核学习路线
前言
大一刚到学校的我还是一枚萌新，连 git 都不能熟练使用，只会安装 Linux ，在 ACM 摸鱼了大半年发现水平根本比不过别人，于是来到龙芯实验室准备参加 OS 内核实现赛道。
后来有幸组建了 3 人队伍，在初赛通过了全部的测试样例，故写博客记录开发的过程，将其整理为学习路线，为社区贡献自己的微薄之力。
本文并不会深入讲解操作系统相关知识，以列举相关链接为主
，因为真要我讲我也讲不好。如有侵权，请联系删除。
勘误
在深入研究文本之前，请务必注意可能存在一些 语法错误 ，这可能是由于翻译错误、打字错误或作者独特的写作风格。
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比赛说明
选择 RISC-V 或 LoongArch 架构之一进行内核开发。
RISC-V
RISC-V 是一种开放的、可扩展的 指令集架构（ISA） ，它遵循 精简指令集计算机（Reduced Instruction Set Computer，RISC） 原则。RISC-V 的设计目标是提供一个 灵活 、 高效 且 易于实现 的 ISA，这使得它成为 嵌入式系统 和其他 低功耗设备 中的理想选择。
LoongArch
LoongArch 是一款由中国的长安科技（Loongson）公司开发的 64 位架构的 中央处理器（CPU） 。它旨在替代国际上主流的 x86 架构，特别是在面向中国市场的计算机和服务器设备中。LoongArch 采用了 RISC 设计原则 ，与 ARM 、MIPS 等其他 RISC 架构类似，但具有其独特的 指令集 和 架构设计 。
Warning
作者所在的团队选择了 RISC-V 架构，以下部分只包含 RISC-V 架构。
初赛
能够使用 qemu-system-riscv64 运行内核，并尽可能通过测试样例。
决赛
内核能够在真正的开发板上运行，并尽可能通过测试样例。
编程语言选择
选择适合自己的，而不是最优的。
C 语言
优点：语法相对简单，容易上手。
缺点：安全性低，模块管理较为复杂。
C 语言入门相关资料
- 菜鸟教程 : 真神。
Rust
Rust 是一门现代化语言，微软、谷歌是 Rust 的支持者之一，他们在项目中也逐渐引入 Rust 来取代 C/C++ 。
优点：模块化结构清晰，三方库资源丰富，安全性高，性能强。
缺点：语法相对复杂，学习成本高。
Info
作者所在的团队选择了 Rust ，因此教程可能更多偏向于 Rust 语言。
Rust 入门相关资料
开发环境搭建
Linux
在 x86_64 的 PC 上编译 RISC-V 架构的内核需要 交叉编译工具链（Cross-platform Toolchain） 以及其他工具的支持，毫无疑问， Linux 提供了良好的支持。
为了得到 Linux 环境，有以下几种方式：
| 方式 | WSL 2 | VMware | 实体机 | Termux on Android（不推荐） |
|---|---|---|---|---|
| 优点 | 方便，轻量 | 接近实体机，有图形化界面 | 性能高 | 可以在 Android 设备使用 |
| 缺点 | 环境隔离不彻底，没有图形化界面（其实可以用 VNC） | 开销大，配置繁琐 | 安装复杂，容易不小心丢数据 | arm64 架构的软件包少 |
| 难度 | ⭐ | ⭐⭐ | ⭐⭐⭐⭐ | ⭐⭐⭐⭐ |
工具链
由于每个人的 Linux 环境不同，这时你意识到你要 STFW 了。
Info
后续也会有 类似的问题 ，本文只给出一种或几种方案。
请视自身开发环境进行取舍，最终给你答案的还是 STFW 。
关键词：riscv, gcc, rustup, cargo
对于 Rust ，此教程 有详细的说明。
关键词：riscv, gcc
安装 QEMU
Info
请注意，这里的 QEMU 指的是 qemu-system-riscv64 ，并不是 qemu-riscv64 。
qemu-system-riscv64允许用户模拟完整的 RISC-V 64 位系统，包括 CPU、内存、设备等。qemu-riscv64主要用于执行单个 RISC-V 指令或程序。
由于我们编写的是内核，所以选择 qemu-system-riscv64 。
如果 Linux 发行版提供了 qemu-system-riscv64 ，那么请直接使用，手动编译是最后的选择。
相关资料
前置知识
Warning
也许你认为可以跳过这部分，不过现在偷的懒以后都会找回来的。
Info
对于初学者，暂时学会基本的功能就够了，后续可以再次深入学习。
跳读法 未必不是一种好办法。
Break the GFW
🤫嘘，小声说话，成为一名合格的 CSer 。
请自行完成 CS 自学指南 必学工具的第一项。
权衡可信度，带宽，流量，价格等因素。
目标
写项目中遇到困难时，能够做到 STFW 、Ask GPT for Help 。
Linux Shell
这将促进 GUI 向 CLI 的转变。
目标
理解
可执行文件的概念使用命令行管理文件的创建/删除/移动
进阶（选做）
打造属于自己的 shell
由于
bash的功能简陋，你可以使用以下列举的 shell ：
| shell | fish | zsh |
|---|---|---|
| 优点 | 上手简单，内置插件丰富 | 社区支持度高，三方插件丰富，兼容传统 shell 语法 |
| 缺点 | 不完全兼容传统 shell 语法 | 初始界面简陋，需要自己动手配置 |
相关资料
Vim
CLI 文本编辑器，Linux用户心目中神一般的存在。
Info
🥹：如果我实在接受不了 Vim 怎么办？
CLI 编辑器不止 Vim ，可以用 Nano，Emacs 代替，更加适合新手。
Info
虽然 Vim 的理念与一般的应用程序不同，但是强烈建议掌握其基础功能。
因为目前很多 CLI 应用的操作使用与 Vim 一样的方式。
目标
- 学会使用 Vim 编辑文件，学会基本的操作
进阶（选做）
- 使用
NeoVim
NeoVim 是更加强大的 Vim ，如果你不满足简陋的 Vim ，欢迎入坑 NeoVim 。
NeoVim 有丰富三方插件，社区支持度高，打造成功可以与 VSCode 相媲美，不过配置过程较为繁琐，建议从使用别人的配置开始。
Git
强大的版本控制工具，CSer 必学。
相关资料
Makefile
自动化编译和构建项目。
Info
Makefile 内容较多，学习难度较高，建议对着模板改。
目标
- 使用 make 命令编译运行内核项目
相关资料
Makefile Tutorial : Makefile 零基础入门，根据自己的体质来。
NJU ProjectN : 南京大学操作系统讲义的 PA0 部分，作为入坑 CLI 的参考。
操作系统理论知识
如果你是计算机小白，没有对计算机领域有一个较为全貌的理解，推荐看一个系列视频（前 10 集推荐连续看完）：Crash Course Computer Science 。
Warning
一定要形成一个基本的框架，不然写代码时会晕乎乎的。
作者亲身经历。
| 主要部分 | 中断处理 内存管理 进程调度 文件系统 设备管理 … |
|---|---|
| 进阶 | busybox libc … |
目标
知道 操作系统 是什么
使用下方资料或自行查找资料，了解操作系统的构成
了解 RISC-V 汇编语言，这个量力而行吧
相关资料
[完结] 循序渐进，学习开发一个RISC-V上的操作系统 - 汪辰 - 2021春 : 用 C 语言开发 RISC-V 操作系统的教程，讲得很详细，选择 Rust 的同学看到
Hello RVOS就够了。16分半还你一个能听懂基本分页存储管理在干嘛的大脑！ : 操作系统内存管理，讲得很详细，小姐姐的声音也很甜。
开源操作系统社区活动 ：收集了丰富的操作系统相关资源。
实践环节
到了这一步，其实只是刚刚开始，请坚持下去。
Info
千万不要只看教程，动手敲代码才是最有效的学习方式。
rCore-Tutorial-Guide 2024 春季学期 : 训练营文档。
清华大学操作系统rCore（22春） : 训练营视频。
[完结] 循序渐进，学习开发一个RISC-V上的操作系统 - 汪辰 - 2021春 : 《从头写一个RISC-V OS》课程。
riscv-operating-system-mooc : 《从头写一个RISC-V OS》课程配套资源。
Info
虚拟内存上板时可能会发生 多级页表 相关的 Bug ，请参考 Reddit 社区的解决方案 。
后记
操作系统并非简单的事物，它与传统编程不同，脱离了对 标准库 的依赖，因此需要改变思维和习惯。
最后送给大家来自 CS自学指南 的一句话：
- 你得有足够的驱动力强迫自己静下心来，阅读几十页的 Project Handout，理解上千行的代码框架，忍受数个小时的 debug 时光。而这一切，没有学分，没有绩点，没有老师，没有同学，只有一个信念 —— 你在变强。
祝大家在自己研究的方向有所突破，早日实现自己的梦想。
致谢
感谢 Cai1Hsu 、 xiaocongyaosa 两位搭档的指导。
感谢 rCore-Tutorial 提供的优秀资源，以及整个社区的支持和贡献。
- Title: 操作系统（OS）内核学习路线
- Author: Shetty Yttehs
- Created at : 2024-06-02 23:44:19
- Updated at : 2024-09-01 12:58:06
- Link: https://blog.shettyyttehs.org/2024/06/02/os-kernel-learning-route/
- License: This work is licensed under CC BY-NC-SA 4.0.
