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秋招的时候，操作系统的八股文背了不少，但是仍然是缺乏动手实践的经历。对操作系统如何工作，用户程序如何运行，与CPU等硬件如何交互等问题完全没有清晰的认识。
所以最近打算好好学习下操作系统的知识，选择了以动手实践为主的课程，直接对内核源码进行学习和扩展，一步步揭开OS的神秘面纱。
1. 简介
MIT 6.S081是著名的操作系统课程，理论与实践相结合的经典。通过实现部分内核功能来学习设计和实现操作系统。
6.S081 由课程和实验组成。课程的前半部分是介绍系统的各种概念和实现。后半部分是讲一些论文，比如 meldown，et3fs。
实验有 11 个，需要实现不同功能，比如 page table，network driver。
课程的学习打算直接跟着官网的schedule走，先看Lecture下提供的讲义和手册，然后完成相应的Lab，Lab共计11个，主要内容是在xv6基础上进行内核开发和扩展。
每个实验都有对应的知识点供你学习，学完理论知识后会有相应的练习，大多数都需要你手写代码。边学边做，学习效果更加高效。
顺便一提，6.S081 2020 的两位老师其中一位是 Robert Morris（RTM）。Robert Morris 写了历史上第一个蠕虫，还是 Y-Combinator 的 co-founder。
现在微内核概念这么火，鸿蒙就被宣传为微内核全场景OS，难道不想从原理上真正理解一下微内核OS吗？ 而6.S081 这个课程就是引导我们实现了一个微内核操作系统。
我的实现环境：
- qemu for riscv
- gdb for riscv
- gcc for riscv
- binutils for riscv
- Windows 10 + VMWare + Ubuntu 20.04
学习资源：
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课程官网：https://pdos.csail.mit.edu/6.828/2020/overview.html
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课程讲义：https://pdos.csail.mit.edu/6.828/2020/xv6/book-riscv-rev1.pdf
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schedule：https://pdos.csail.mit.edu/6.828/2020/schedule.html
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视频：https://www.bilibili.com/video/BV1Dy4y1m7ZE
2. 安装ubuntu20.04
Ubuntu基本上是每半年更新一次，截至2021年7月30号，现在已经推出了20.0的版本了。
在第一次进行搭建环境时，使用的是18.0的版本，这个版本在安装环境的时候，需要自行安装、编译Riscv工具链，但是这个过程很耗时，容易出现错误。在被百般折磨之后，选择了在Ubuntu20.04上进行环境的搭建。省去了安装工具链的繁琐操作。
VMware下载链接：点击这里
Ubuntu下载链接：点击这里
3. 更换源
3.1 更换/etc/apt/sources.list文件里的源
安装好ubuntu20.04后，默认的软件更新源是国外的，在国内使用速度很慢，需要更换成国内的源，这样才能正常安装和更新软件。
3.2 备份源列表
Ubuntu配置的默认源并不是国内的服务器，下载更新软件都比较慢。首先备份源列表文件sources.list：
# 首先备份源列表
sudo cp /etc/apt/sources.list /etc/apt/sources.list_backup
3.3 打开sources.list文件修改
选择合适的源，替换原文件的内容，保存编辑好的文件, 我们选择的是中科大源。
# 打开sources.list文件
sudo gedit /etc/apt/sources.list
编辑/etc/apt/sources.list文件, 在文件最前面添加阿里云镜像源：
#中科大源
deb https://mirrors.ustc.edu.cn/ubuntu/ focal main restricted universe multiverse
deb-src https://mirrors.ustc.edu.cn/ubuntu/ focal main restricted universe multiverse
deb https://mirrors.ustc.edu.cn/ubuntu/ focal-updates main restricted universe multiverse
deb-src https://mirrors.ustc.edu.cn/ubuntu/ focal-updates main restricted universe multiverse
deb https://mirrors.ustc.edu.cn/ubuntu/ focal-backports main restricted universe multiverse
deb-src https://mirrors.ustc.edu.cn/ubuntu/ focal-backports main restricted universe multiverse
deb https://mirrors.ustc.edu.cn/ubuntu/ focal-security main restricted universe multiverse
deb-src https://mirrors.ustc.edu.cn/ubuntu/ focal-security main restricted universe multiverse
deb https://mirrors.ustc.edu.cn/ubuntu/ focal-proposed main restricted universe multiverse
deb-src https://mirrors.ustc.edu.cn/ubuntu/ focal-proposed main restricted universe multiverse
#添加阿里源
deb http://mirrors.aliyun.com/ubuntu/ focal main restricted universe multiverse
deb-src http://mirrors.aliyun.com/ubuntu/ focal main restricted universe multiverse
deb http://mirrors.aliyun.com/ubuntu/ focal-security main restricted universe multiverse
deb-src http://mirrors.aliyun.com/ubuntu/ focal-security main restricted universe multiverse
deb http://mirrors.aliyun.com/ubuntu/ focal-updates main restricted universe multiverse
deb-src http://mirrors.aliyun.com/ubuntu/ focal-updates main restricted universe multiverse
deb http://mirrors.aliyun.com/ubuntu/ focal-proposed main restricted universe multiverse
deb-src http://mirrors.aliyun.com/ubuntu/ focal-proposed main restricted universe multiverse
deb http://mirrors.aliyun.com/ubuntu/ focal-backports main restricted universe multiverse
deb-src http://mirrors.aliyun.com/ubuntu/ focal-backports main restricted universe multiverse
#添加清华源
deb https://mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn/ubuntu/ focal main restricted universe multiverse
# deb-src https://mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn/ubuntu/ focal main restricted universe multiverse
deb https://mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn/ubuntu/ focal-updates main restricted universe multiverse
# deb-src https://mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn/ubuntu/ focal-updates main restricted universe multiverse
deb https://mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn/ubuntu/ focal-backports main restricted universe multiverse
# deb-src https://mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn/ubuntu/ focal-backports main restricted universe multiverse
deb https://mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn/ubuntu/ focal-security main restricted universe multiverse
# deb-src https://mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn/ubuntu/ focal-security main restricted universe multiverse multiverse
3.4 刷新列表
sudo apt-get update
sudo apt-get upgrade
sudo apt-get install build-essential
下载速度瞬间就起飞了。
4. 安装SSH
默认情况下，首次安装Ubuntu时，不允许通过SSH进行远程访问。
在Ubuntu上启用SSH非常简单。以root 用户或具有sudo特权的用户执行以下步骤：
使用打开终端Ctrl+Alt+T并安装openssh-server软件包：
sudo apt update
sudo apt install openssh-server
安装完成后，SSH服务将自动启动。可以通过键入以下命令来验证SSH是否正在运行：
sudo systemctl status ssh
输出显示该服务正在运行，并已启用以在系统引导时启动：
● ssh.service - OpenBSD Secure Shell server
Loaded: loaded (/lib/systemd/system/ssh.service; enabled; vendor preset: enabled)
Active: active (running) since Sun 2021-08-15 07:13:19 PDT; 23s ago
Docs: man:sshd(8)
man:sshd_config(5)
Main PID: 46470 (sshd)
Tasks: 1 (limit: 2275)
Memory: 1.3M
CGroup: /system.slice/ssh.service
└─46470 sshd: /usr/sbin/sshd -D [listener] 0 of 10-100 startups
按q返回到命令行提示符。
Ubuntu随附了一个名为UFW的防火墙配置工具。如果在系统上启用了防火墙，请确保打开SSH端口：
sudo ufw allow ssh
现在，就可以通过SSH连接到Ubuntu系统，推荐使用SecureCRT。
4.1 SecureCRT 报错
安装了ubuntu20.04后，以前老版本的SecureCRT通过ssh连接后报错
Key exchange failed.
No compatible key exchange method. The server supports these methods: curve25519-sha256,curve25519-sha256@libssh.org,ecdh-sha2-nistp256,ecdh-sha2-nistp384,ecdh-sha2-nistp521,diffie-hellman-group-exchange-sha256,diffie-hellman-group16-sha512,diffie-hellman-group18-sha512,diffie-hellman-group14-sha256
4.2 解决方法
需要修改两个地方：
4.3 修改ssh_config
sudo vi /etc/ssh/ssh_config
打开这两行的注释
4.4 修改sshd_config
sudo vi /etc/ssh/sshd_config
加入下面的代码
KexAlgorithms curve25519-sha256@libssh.org,ecdh-sha2-nistp256,ecdh-sha2-nistp384,ecdh-sha2-nistp521,diffie-hellman-group-exchange-sha256,diffie-hellman-group14-sha1,diffie-hellman-group-exchange-sha1,diffie-hellman-group1-sha1
4.5 重新启动服务并测试
重启sshd服务
sudo service sshd restart
重新连接即可。
5. 配置静态IP
因为安装的是虚拟机，要将其改为桥接模式。
接下来编辑文件：
sudo gedit /etc/netplan/01-network-manager-all.yaml
网络配置
# Let NetworkManager manage all devices on this system
network:
version: 2
renderer: NetworkManager
ethernets:
ens33: #配置的网卡名称,使用ifconfig -a查看得到
dhcp4: no #dhcp4关闭
addresses: [192.168.1.8/24] #设置本机IP及掩码
gateway4: 192.168.1.1 #设置网关
nameservers:
addresses: [223.5.5.5,223.6.6.6,166.111.8.28,166.111.8.29,202.141.162.123] #设置阿里云，中科大等的DNS
然后应用修改：
sudo netplan apply
6. 安装RISC-V交叉编译工具
risc-v工具链安装是坑最多的一步，如果你使用的是非20.04，大概率会安装失败。因为只有 ubuntu 20.04 下面才有对应的package的镜像源！
sudo apt install git build-essential gdb-multiarch qemu-system-misc gcc-riscv64-linux-gnu binutils-riscv64-linux-gnu libglib2.0-dev libpixman-1-dev gcc-riscv64-unknown-elf
7. 安装QEMU
QEMU用于在我们机器上(X86)模拟RISC-V架构的CPU，编译生成的risc-v平台的机器码，需要通过模拟cpu执行。
wget https://download.qemu.org/qemu-5.1.0.tar.xz /home/zhongyi/6S081
cd qemu-5.1.0
./configure --disable-kvm --disable-werror --prefix=/usr/local --target-list=riscv64-softmmu
make
sudo make install
8 测试
8. 1 下载xv6源码
从github下载xv6源码，切入源码的主目录，分支切换为util。
git clone git://g.csail.mit.edu/xv6-labs-2020
cd xv6-labs-2020
git checkout util
在项目目录下编译，如果能进入xv6的shell，看到xv6 kernel is booting 则表示实验环境已搭建成功。
make
make qemu
按下ctrl+a松开后再按x退出qemu，这个很关键。
8.2 检查工具链
riscv64-unknown-elf-gcc --version
预期
riscv64-unknown-elf-gcc (GCC) 10.1.0
qemu-system-riscv64 --version
预期：
QEMU emulator version 5.1.0
8.3 检查调试工具
这里需要开启两个窗口，一个运行qemu，一个运行调试器gdb。
运行qemu的窗口执行make qemu-gdb后等待gdb的连接
make qemu-gdb
sed "s/:1234/:26000/" < .gdbinit.tmpl-riscv > .gdbinit
*** Now run 'gdb' in another window.
qemu-system-riscv64 -machine virt -bios none -kernel kernel/kernel -m 128M -smp 3 -nographic -drive file=fs.img,if=none,format=raw,id=x0 -device virtio-blk-device,drive=x0,bus=virtio-mmio-bus.0 -S -gdb tcp::26000
另外一个窗口运行
gdb-multiarch -q kernel/kernel
如果看到如下内容，则基本上环境没有问题了。
Reading symbols from kernel/kernel...
The target architecture is set to "riscv:rv64".
0x0000000000001000 in ?? ()
(gdb)
如果是第一次运行，请根据提示先设置好.gdbinit
echo set auto-load safe-path / >> ~/.gdbinit
折腾了几天，到此为止，MIT 6.S081 环境搭建终于完成！下面就可以开心做实验了！
本文参考
https://pdos.csail.mit.edu/6.828/2020/tools.html
https://www.bilibili.com/video/BV11K4y127Qk
https://zhuanlan.zhihu.com/p/359384544
https://zhuanlan.zhihu.com/p/343655412