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Lab 0 实验准备

2024-05-27
zjy1412
YSOS
 

实验要求

  • 配置好实验环境，熟悉实验环境的使用方法。

  • 尝试使用rust进行编程，熟悉rust的基本语法。

  • 运行UEFI Shell，熟悉UEFI Shell的基本命令。

  • 启动YSOS

实验过程

实验环境配置

我选择使用虚拟机进行实验，虚拟机的系统为Ubuntu22.04，与推荐实验环境一致。我在虚拟机中更新了apt源并进行软件升级，然后安装了qemu，rustup，vscode等实验所需的环境，同时完成了相关的验证工作。

Rust编程

  • 实现了一系列函数: count_down, read_and_print, file_size， 并且调用它们进行了测试，得到了预期的输出。

  • 实现了一个进行字节数转换的函数， 并通过了测试。

  • 使用现有的crate在终端中输出彩色的文字。

  • 利用enum类型实现了一个名为Shape的枚举类型，其中包含了Circle和Rectangle两种类型， 并且实现了一个计算面积的函数，其通过了测试。

  • 实现了UniqueID类型， 并且通过了测试。

UEFI Shell

我使用git clone命令下载了所需的仓库，并且借助其初始化了自己的仓库，其中文件完整。接着在简单了解UEFI Shell的功能后，使用命令启动UEFI Shell，其输出与预期一致。

YSOS

根据仓库提供的.toml文件指定的Rust工具链，在项目根目录下运行make run命令，得到输出与预期一致，成功启动了YSOS。

关键代码

Rust编程

编程任务1：

// 创建一个函数进行倒计时
fn count_down(seconds: u64) {
    for i in (1..=seconds).rev() {
        println!("Remaining seconds: {}", i);
        std::thread::sleep(std::time::Duration::from_secs(1));// 这行代码的作用是让当前线程休眠一秒钟。
    }
    println!("Countdown finished!");
}

// 创建一个函数尝试读取并输出文件的内容
fn read_and_print(file_path: &str) {
    match File::open(file_path) {
        Ok(mut file) => {
            let mut contents = String::new();
            file.read_to_string(&mut contents).expect("Failed to read file");
            println!("{}", contents);
        }
        Err(_) => {
            panic!("File not found!");
        }
    }
}

// 创建一个函数尝试获取文件大小，并处理可能的错误
fn file_size(file_path: &str) -> Result<u64, &str> {
    match std::fs::metadata(file_path) {
        Ok(metadata) => Ok(metadata.len()),
        Err(_) => Err("File not found!"),
    }
}

编程任务2：

fn humanized_size(size: u64) -> (f64, &'static str) {
    const KIB: f64 = 1024.0;
    const MIB: f64 = KIB * KIB;
    const GIB: f64 = KIB * MIB;

    if size < KIB as u64 {
        (size as f64, "B")
    } else if size < MIB as u64 {
        (size as f64 / KIB, "KiB")
    } else if size < GIB as u64 {
        (size as f64 / MIB, "MiB")
    } else {
        (size as f64 / GIB, "GiB")
    }
}

编程任务3：

use colored::Colorize;

fn main() {
    // 输出绿色的 INFO
    println!("{} Hello, world!", "INFO:".green());

    // 输出黄色、加粗、下划线的 WARNING
    println!("{}", "WARNING: I'm a teapot!".yellow().bold().underline());

    // 输出红色、加粗的 ERROR，并尝试在控制台窗口居中
    let error_message = "KERNEL PANIC!!!";
    let padding = (80 - error_message.len()) / 2;
    println!("{:-^80}", "");  // 打印横线，用于居中
    println!("{:width$}{}", "", error_message.red().bold(), width = padding);
    println!("{:-^80}", "");  // 打印横线，用于居中
}

编程任务4：

use std::f64::consts::PI;

enum Shape {
    Rectangle { width: f64, height: f64 },
    Circle { radius: f64 },
}

impl Shape {
    pub fn area(&self) -> f64 {
        match self {
            Shape::Rectangle { width, height } => width * height,
            Shape::Circle { radius } => PI * radius * radius,
        }
    }
}

编程任务5：

struct UniqueId(u16);

impl UniqueId {
    fn new() -> UniqueId {
        static mut NEXT_ID: u16 = 0;

        unsafe {
            let id = NEXT_ID;
            NEXT_ID += 1;
            UniqueId(id)
        }
    }
}

实验结果

实验环境配置

版本与实验推荐一致

Rust编程

编程任务1：

编程任务2：

编程任务3：

编程任务4：

编程任务5：

UEFI Shell

校验文件完整性：

使用QEMU启动UEFI Shell：

YSOS

YSOS启动：

实验总结

在这个实验中，我首先配置了实验环境，确保所需的工具和库已经安装，并且进行了相关的验证工作。随后，我使用Rust进行编程，实现了一系列任务，包括倒计时、文件操作、字节数转换、彩色输出、枚举类型实现面积计算、以及唯一标识生成。在编程过程中，我熟悉了Rust 的基本语法和一些常见的文件和系统操作。

在实现彩色输出时，我使用了 colored crate来实现不同颜色的文字输出，通过这个过程我了解了如何在终端中添加颜色和样式。

在 UEFI Shell 的部分，我克隆了仓库，通过简单的命令了解了 UEFI Shell的基本功能，并启动了 YSOS 系统，验证了环境配置的正确性。

思考题&加分项

了解现代操作系统（Windows）的启动过程，UEFI 和 Legacy（BIOS）的区别是什么？

答：UEFI 是一种新型的固件接口，它是 BIOS 的替代品。UEFI 与传统的 BIOS相比，具有启动速度快、支持大容量硬盘、支持多分区启动、支持网络启动、支持图形界面等优点。UEFI启动过程中，会加载 UEFI Shell，然后通过 UEFI Shell加载操作系统内核。而传统的 BIOS 启动过程中，会加载 MBR，然后通过 MBR 加载操作系统内核。

尝试解释 Makefile 中的命令做了哪些事情？

答：

  • run: 构建项目并启动 QEMU 虚拟机运行UEFI程序。

  • launch：启动 QEMU 虚拟机运行UEFI程序。

  • intdbg：启动 QEMU 虚拟机并启用 GDB 调试。

  • debug：启动 QEMU 虚拟机并启用 GDB 调试。

  • clean：清理项目构建产物。

  • build：构建项目。

利用 cargo 的包管理和 docs.rs 的文档，我们可以很方便的使用第三方库。这些库的源代码在哪里？它们是什么时候被编译的？

答：这些库的源代码通常托管在版本控制系统。而它们是在我们使用 cargo build 或 cargo run 命令时被编译的。

为什么我们需要使用 #entry 而不是直接使用 main 函数作为程序的入口？

答：使用 #entry 而不是 main 是为了适应裸机和嵌入式环境的特殊需求，让程序入口更加灵活。

基于控制行颜色的 Rust 编程题目，参考 log crate 的文档，为不同的日志级别输出不同的颜色效果，并进行测试输出。

答：日志包括 Fatal, Error, Warn, Info, Debug, Trace 等级别，我选择其中的 Info，Warn，Error 三个级别进行测试。

use colored::*;
use log::{info, warn, error};// 已在toml里添加log依赖

fn main() {
    env_logger::init();

    // 记录不同级别的日志并应用颜色效果
    info!("{} This is an info message.", "INFO:".green());
    warn!("{} This is a warning message.", "WARNING:".yellow().bold().underline());
    error!("{} This is an error message.", "ERROR:".red().bold());
}

输出展示：

基于第一个 Rust 编程题目，实现一个简单的 shell 程序

答： 关键代码：

fn cd_command(target: &str) {
    let current_dir = env::current_dir().expect("Failed to get current directory");
    let mut new_path = current_dir;

    for component in target.split('/') {
        if component == ".." {
            new_path.pop();
        } else {
            new_path.push(component);
        }
    }

    env::set_current_dir(&new_path).expect("Failed to change directory");
}

fn ls_command() {
    let current_dir = env::current_dir().expect("Failed to get current directory");
    let entries = current_dir.read_dir().expect("Failed to read directory entries");

    for entry in entries {
        if let Ok(entry) = entry {
            let path = entry.path();
            let metadata = entry.metadata().unwrap();

            println!(
                "{}\t{:>10} bytes\tCreated: {:?}",
                path.display(),
                metadata.len(),
                metadata.created().unwrap()
            );
        }
    }
}

fn cat_command(file_path: &str) {
    if let Ok(file) = File::open(file_path) {
        let reader = BufReader::new(file);

        for line in reader.lines() {
            if let Ok(line) = line {
                println!("{}", line);
            }
        }
    } else {
        eprintln!("Error: Failed to open file '{}'", file_path);
    }
}

输出展示：

尝试使用线程模型，基于 UniqueId 的任务

在 Rust 中，使用 static mut 变量在多线程环境下是不安全的，因为多个线程可能同时访问和修改这个变量，导致数据竞争。

而AtomicU16 是一个用于原子操作的无符号 16 位整数类型。在多线程编程中，原子类型是为了避免数据竞争而设计的，提供了一组原子性的操作，确保在多线程环境中进行安全的共享数据修改。

unsafe：它的诞生主要是因为Rust的静态检查太强了，也有一部分是因为计算机底层的一些硬件本身就是不安全的，比如说指针操作，内存操作等等。unsafe的作用就是告诉编译器，这里的代码我知道是不安全的，但是我保证这里的代码是安全的，你不用检查了。

当然，它本身就如它的名字一样是不安全的，所以在使用的时候一定要小心，不要滥用。

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