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开放如意内核

开放如意内核(openKycore)是由国防科技大学麒麟操作系统团队主导自主设计、从零实现的新型架构操作系统内核。目标是针对特定领域系统安全可靠保障需求并结合技术发展趋势，探索适应未来复杂多端应用场景以及未来“人机物”融合时代的操作系统内核形态，构建一个非Linux技术体系、全自主的通用操作系统内核。“人机物”融合的一个特征是平台多样，另一个特征是人在回路。为此，开放如意内核的主要设计原则是架构灵活，可根据硬件平台的不同特性、用户对于性能或安全等属性的不同需求，动态变化系统架构，实现柔性可扩展支持。

内核架构

开放如意内核以微内核为基础，吸收融合了宏内核、外核等技术特征，涵盖了运行于内核态及用户态的诸多核心组件，最终形成一个为上层应用提供基础支撑的广义内核，并对应用提供编程接口（例如POSIX）。核心包括一个柔性微内核，提供内存管理、任务管理、IPC管理等功能，并基于对象化和权能机制实现，支持文件系统、设备驱动等系统功能模块运行模式的柔性切换。功能模块以组件库的形式构建，可根据用户需求配置，使用三种模式运行：

  • 模式1：构建用户态服务进程，通过IPC为应用提供IO、网络、显示等功能，类似微内核。适用于有安全风险应用或驱动使用。
  • 模式2：直接链接至应用软件，通过函数调用实现功能，类似外核。适用于性能敏感应用使用。
  • 模式3：构建内核态服务线程，通过系统调用实现上述功能，类似Windows内核。适用于一般应用默认使用。

目前系统仍在快速开发中，图中虚线边框表示相关模块正在开发或计划开发。从架构层面看，目前正在实现融合模式1（微内核模式）和模式2（外核模式）的新型用户态运行模式。针对外核模式下应用必须以独占资源（如文件系统或设备驱动）导致生态受限的问题，设计资源主进程模式。资源主进程模式相比传统外核模式避免了独占资源的问题，相比传统微内核可支持一个性能敏感应用达到外核性能。

代码目录树

KyCore
├── crates                  // 内核修改的第三方库
├── kyboot                  // 内核引导器，收集硬件信息、准备并启动内核，支持qemu\ft\rasp4b
├── kycomp                  // 组件库
│   ├── arch                // 架构抽象库，aarch64支持qemu\ft\rasp4b，x86_64只有qemu
│   ├── common              // 跨组件共性基础库，定义共性类型、接口等
│   ├── driver              // 设备驱动库
│   │   ├── blk             // 块设备驱动库，包括virtio、ram驱动，以及ipc、kt模式访问设备驱动
│   │   ├── chr             // 字符设备驱动库，包括pl011驱动，以及ipc、kt模式访问设备驱动
│   │   ├── component       // 组件库，对设备驱动进行封装。以组件的形式为用户态应用提供服务
│   │   ├── gpio            // GPIO设备驱动库
│   │   ├── i2c             // I2C设备驱动库
│   │   └── net             // 网络设备驱动库
│   ├── fs                  // 文件系统库，封装rcore-fs库，提供多种运行模式
│   ├── kycall              // 微内核系统调用库，封装微内核kycore对外提供接口
│   ├── net                 // 网络栈库
│   └── runtime             // 运行时库，设置堆、panic等rust语言项，解析应用环境变量、参数等
├── kycore                  // 微内核，包括十多种内核对象，几十个系统调用通过权能访问对象
├── kylib                   // POSIX系统调用库，支持30多个系统调用
├── kysys                   // 系统服务进程，包括root、shell、设备服务进程等
├── misc                    // 杂项
├── musl                    // C语言标准库
├── test                    // 系统集成测试
├── user-c                  // C语言测试程序
├── user-image              // 用户态镜像打包
└── user-rs                 // Rust语言测试程序

代码行统计cloc . --exclude-dir=target,book,build,crates,musl,source

其中target,book,build为编译生成目录，crates,musl,source为第三方库目录

编译运行

开放如意内核使用主流Linux发行版开发，推荐使用Ubuntu 2404、Kylin v10编译运行。内核基于UEFI或UBOOT引导，可运行于Qemu模拟器、飞腾开发板、树莓派等平台。

安装依赖(基于Ubuntu 2404系统测试安装)

# ubuntu依赖包
sudo apt install git make gcc gcc-aarch64-linux-gnu gcc-riscv64-linux-gnu socat cargo rustup cargo-binutils
sudo apt install qemu-system-x86 qemu-system-arm qemu-system-riscv64 qemu-system-gui
# rust环境
rustup component add rust-src llvm-tools-preview
rustup target add aarch64-unknown-none x86_64-unknown-none riscv64gc-unknown-none-elf
# 下载kycore并进入根目录
git clone --recursive https://gitee.com/openkylin/kycore.git
cd kycore

下载速度慢可换国内源，如:

export RUSTUP_DIST_SERVER=”https://rsproxy.cn"

export RUSTUP_UPDATE_ROOT=”https://rsproxy.cn/rustup"

编译并运行

make run
# 之后出现命令提示符，可执行命令，例如ls
[shell] / >>> ls

也可指定运行参数：

make run arch=[aarch64|x86_64|riscv64] mode=[release|debug] loader=[uefi|uboot] board=[qemu|rasp4b|ft204|ftpi|gem5|crosvm]

其中arch、mode、loader、board为可选参数，默认均为第一个： qemu-system-x86 qemu-system-arm qemu-system-riscv64 qemu-system-gui

  • arch：选择CPU架构，可选：aarch64、x86_64、riscv64
  • mode：选择是否需要调试符号，可选：release、debug
  • loader：选择启动方式，可选：uefi、uboot
  • board：选择运行平台，可选：qemu、rasp4b、ft204、ftpi、gem5、crosvm

例如，以下可选命令：

  • make run arch=x86_64：基于qemu模拟x86_64架构处理器
  • make run arch=riscv64 loader=uboot：基于qemu模拟riscv64架构处理器（目前仅支持uboot方式）
  • make run mode=debug：编译调试符合，并基于qemu运行
  • make run loader=uboot：基于qemu模拟aarch64架构处理器，并使用uboot方式（进入uboot命令行后需要执行go 0x42000000）
  • make build loader=uboot board=gem5：编译gem5平台镜像，须将bin格式内核镜像拷贝至gem5相关目录

目前经过测试的平台包括：

  • QEMU平台UEFI运行
# QEMU上使用UEFI运行VIRT虚机
make run loader=uefi board=qemu
# 网卡功能性测试
COMP=e1000-net test-net e1000-net 1 #内核态驱动
COMP=e1000-net test-net e1000-net 2 #内核态驱动->用户态驱动->内核态驱动
# 网卡（需要调整test-net-slave）
COMP=e1000-net test-net e1000-net 1 #内核态驱动吞吐量
# SD卡测试
make run
# 1是内核态驱动，2是外核模式
# seq是连续读取1MB，random是随机读，mix是混合读写，默认读写1000次
COMP=bcm2835-emmc test-sd [1|2] [random|seq|mix]
  • QEMU平台UBOOT运行
# QEMU上使用UBOOT运行VIRT，进入UBOOT后需要执行`go 0x42000000`
make run loader=uboot board=qemu
# QEMU上使用UBOOT运行树莓派4B
make run loader=uboot board=rasp4b

官方QEMU不支持树莓派4B，需要编译使用此仓库的QEMU

  • 开发板UBOOT运行
# 编译内核，在PhytiumPI（E2000）基于UBOOT运行
make build loader=uboot board=ftpi && make image && cp -r misc/boot path/to/sd/
# 编译内核，在树莓派4B基于UBOOT运行
make build loader=uboot board=rasp4b && make image && cp -r misc/boot/ path/to/sd/
# 编译内核，在GEM5运行
make build loader=uboot board=gem5 && make image && cp -r misc/boot path/to/gem5/resources/semihosting/

飞腾派运行需要设置环境变量: setenv bootcmd "dcache flush;ext4load mmc 0 0x82000000 boot/kycore.bin; ext4load mmc 0 0x85000000 boot/devicetree.dtb; ext4load mmc 0 0x86000000 boot/initrd.img; go 0x82000000"

树梅派运行需要配置文件cp misc/config-uboot.txt path/to/sd/(会覆盖sd卡上的config.txt，注意提前备份)

GEM5运行参考此文档

  • 开发板UEFI运行
# 编译内核，在ft204（D2000）基于UEFI运行
make build loader=uefi board=ft204 && make image && cp -r misc/esp/EFI path/to/sd/
# 编译内核，在树莓派4B基于UEFI运行
make build loader=uefi board=rasp4b && make image && cp -r misc/esp/EFI path/to/sd/
cp misc/ovmf/RPI_EFI.fd path/to/sd/
cp misc/config-uefi.txt path/to/sd/ (会覆盖sd卡上的config.txt，注意提前备份)

调试

  • 可通过make run-gdb mode=debug启用qemu调试模式，同时可在另一个终端使用make gdb连接到qemu
  • 可通过修改.gdbinit脚本指定make gdb的初始化行为

测试

shell内置命令

  • ps：展示系统后台进程
  • lscap：展示系统进程权能空间
  • lsmem：展示系统进程内存空间
  • environ：展示系统环境变量
  • history：展示历史命令
  • cd：改变当前路径，如cd dev
  • debug：调试开关，执行debug on或debug off调整内核输出级别，开启时输出debug级别日志
  • time：记录一个命令运行时间，如time ls
  • timer：改变系统时钟频率，如timer 128，设置时钟频率为每秒128次
  • repeat：重复命令，如repeat 5 ls，重复执行ls五次
  • exit：退出内核
  • lscom: 展示当前系统中的所有组件

应用程序

  • ls：rust语言测试程序
  • echo：c语言coreutils程序，如echo hi
  • cat：c语言coreutils程序，如cat cat.txt
  • env：c语言coreutils程序
  • md5sum：c语言coreutils程序，如md5sum cat.txt

展示系统运行状态

[shell] / >>> ps            // 展示系统进程  
[shell] / >>> lscap         // 展示系统进程权能空间  
[shell] / >>> lsmem         // 展示系统进程内存空间  
[shell] / >>> environ       // 展示系统环境变量  
[shell] / >>> lscom         // 展示系统中的所有组件

测试组件

  • 使用shell内置命令对组件进行测试：
[shell] / >>> time repeat 10 ls                        // 重复运行10次ls，并计时
[shell] / >>> time repeat 10 COMP=rootfs ls            // 指定ls为rootfs组件的主进程，运行10次，并计时
[shell] / >>> time repeat 10 COMP=rootfs:ram-blk ls    // 指定ls为rootfs组件和ram-blk组件的主进程，运行10次，并计时
[shell] / >>> debug on                                  // 可以开启debug级别日志再重复上述过程，查看内核内部执行过程
  • 使用专门测试组件性能的测试用例对组建进行测试：
[shell] / >>> COMP=ram-blk:rootfs io-test 8 1000
test1: 1 main process and 7 normal processes, read/write 1000 times
[5.648437] io-test-8-0 cost 270ms
[8.961848] io-test-8-1 cost 3556ms
[8.967762] io-test-8-2 cost 3561ms
[8.988183] io-test-8-3 cost 3581ms
[9.007191] io-test-8-4 cost 3600ms
[9.018370] io-test-8-5 cost 3611ms
[9.037943] io-test-8-6 cost 3630ms
[9.047538] io-test-8-7 cost 3639ms
test2: 8 normal processes, read/write 1000 times
[12.987833] io-test-8-7 cost 2764ms
[12.989375] io-test-8-0 cost 2773ms
[12.990696] io-test-8-1 cost 2772ms
[12.992032] io-test-8-2 cost 2772ms
[12.993359] io-test-8-3 cost 2772ms
[12.995088] io-test-8-6 cost 2772ms
[12.999679] io-test-8-5 cost 2777ms
[13.007024] io-test-8-4 cost 2785ms
----

此测试应用的第一个参数可以指定测试的进程数量，第二个参数指定每个进程文件读写次数。io-test 8 1000表示创建8个子进程，每个子进程对测试文件进行1000次读写。

在第一轮测试时，8个子进程中，第0个子进程为rootfs组件和ram-blk组件的主进程，其他子进程为普通进程。在第二轮测试时，8个子进程全部为普通进程。

可以发现，在第一轮测试时，0号子进程可以直接以函数调用的方式访问文件系统和块设备驱动，因此运行时间最快。其他7个普通进程需要以IPC的方式和0号子进程通行以访问0号子进程提供的文件系统服务和块设备驱动服务。因此运行时间最慢。在第二轮测试时，所有子进程都需要以IPC的方式访问内核中的文件系统和块设备驱动，运行时间适中。

自动化测试

# 单元测试
make test-unit
# 集成测试
make test-kernel
# 系统测试
make test-system

运行系统测试需要py依赖包：

python3 -m venv .venv && venv/bin/pip install avocado-framework avocado-framework-plugin-varianter-yaml-to-mux

文档

技术文档（施工中）

项目技术文档通过mdbook工具管理，位于tutorial目录中。

  • 安装mdbook：

    cargo install mdbook
cargo install mdbook-toc

  • 编译并运行：

    mdbook serve tutorial/

之后可在127.0.0.1:3000打开手册。

在tutorial目录中修改手册内容时，网页中会同步更新。

接口文档（施工中）

项目使用Rust原生文档工具，根据代码注释自动生成接口文档，可通过如下命令生成：

make doc

也可单独打开各模块接口文档：

  • 组件库接口（目前主要维护kycall库）
cd kycomp
cargo doc --no-deps --document-private-items --target aarch64-unknown-none --open
  • 加载器接口
cd kyboot
cargo doc --no-deps --document-private-items --bins --target aarch64-unknown-uefi --open
  • 内核接口
cd kycore
cargo doc --no-deps --document-private-items --target aarch64-unknown-none --open
  • 兼容库接口
cd kylib
cargo doc --no-deps --document-private-items --target aarch64-unknown-none --open

如需查看其它架构，需修改target参数。如查看x86_64架构，需要将aarch64-unknown-none改为x86_64-unknown-none，将aarch64-unknown-uefi改为x86_64-unknown-uefi。

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