操作系统内核内核无法像上层应用一样使用操作系统提供的功能。 创建操作系统内核的第一步是构建可以不依赖操作系统直接运行在baremetal上的程序。

本文主要对构建可以Baremetal上直接运行的Rust程序所需要做的事情做个记录和说明。

不使用 stdlib

stdlib会依赖底层操作系统功能，如线程，io等。使用#![no_std]来禁用掉standard library

Entry point

虽然用户程序入口是main，但是在main执行前需要进行一定的初始化工作，如setup stack，传入参数等。 对于典型的链接了stdlib的rust程序来说，程序从C runtime的crt0开始，然后执行rust runtime的entrypoint(#[start])。然后才调用到用户编写的main函数。

C runtime和Rust runtime 都是对操作系统内核有依赖的，所以我们要避免使用。 例如，它的内存初始化需要基于操作系统提供的虚拟内存，而kernel需要直接与物理内存打交道。

用#![no_main]来指定我们不定义main函数。 然后，我们需要定义linker默认的入口点为_start，同时要使用#[no_mangle] 防止rustc mangle 函数名，如下定义了程序入口点：

#[no_mangle]
pub extern "C" fn _start() -> ! {

build-std

虽然不能利用操作系统特性，我们可以利用rust语言本身的特性，这些特性有些由core crate提供，如Options。通常来说，应该使用rustc自带的core binary。如果对于自定义的target,或者不想使用预编译的binary,可以重新编译core crate。需要使用cargo的unstable特性：

如下指定重新编译core library，并指定了compiler-builtins-mem，以避免在core 中依赖操作系统相关的内存管理。

# .cargo/config
[unstable]
build-std = ["core"]
build-std-features = ["compiler-builtins-mem"]

# ./rust-toolchain
[toolchain]
channel = "nightly"
components = ["rust-src"]

Targets

rust支持不同的target，rustc会根据target生成不同的编译选项。 使用以下命令可以列出内置的target和target 的json spec：

rustc --print target-list
rustc -Z unstable-options --print target-spec-json --target x86_64-unknown-linux-gnu

对于x86_64的baremetal程序，可以直接使用x86_64-unknown-none这个target。

$ rustc +nightly -Z unstable-options --print target-spec-json --target x86_64-unknown-none
{
  "arch": "x86_64",
  "code-model": "kernel",
  "cpu": "x86-64",
  "data-layout": "e-m:e-p270:32:32-p271:32:32-p272:64:64-i64:64-f80:128-n8:16:32:64-S128",
  "disable-redzone": true,
  "features": "-mmx,-sse,-sse2,-sse3,-ssse3,-sse4.1,-sse4.2,-3dnow,-3dnowa,-avx,-avx2,+soft-float",
  "is-builtin": true,
  "linker": "rust-lld",
  "linker-flavor": "ld.lld",
  "llvm-target": "x86_64-unknown-none-elf",
  "max-atomic-width": 64,
  "panic-strategy": "abort",
  "position-independent-executables": true,
  "relro-level": "full",
  "stack-probes": {
    "kind": "inline-or-call",
    "min-llvm-version-for-inline": [
      16,
      0,
      0
    ]
  },
  "static-position-independent-executables": true,
  "supported-sanitizers": [
    "kcfi",
    "kernel-address"
  ],
  "target-pointer-width": "64"
}

另外可以用cargo rustc -- --print link-args来显示rustc生成的linker命令和参数。

Language items

rustc 有一些可插拔的操作，没有hardcode在语言本身，而是在库中提供实现。库中的实现通过#[lang = "..."]来标记，这些操作被称为language items。可参考https://doc.rust-lang.org/beta/unstable-book/language-features/lang-items.html

其中有两个是rustc假定存在的，在不使用stdlib的情况下，需要我们自己来定义。

  1. rust_eh_personality。通过在target中设置"panic-strategy": "abort",，来禁用stack unwinding，可以不需要该函数。
  2. panic_impl，可以通过#[panic_handler]来实现： 
    #[panic_handler]
fn panic(_info: &PanicInfo) -> ! {

Red zone

x86_64-unknown-nonetarget还有个配置"disable-redzone": true也值得一提。

简单来说redzone是一种System_V_ABI 的calling convention的一个优化，可以使用栈顶之外的128字节。这样在叶子函数(leaf function)中可以不移动栈指针使用栈外的128字节。 但是在CPU中断的情况下，中断handler中不知道sp之外的空间被使用了，所以在中断handler中可能会破坏原来的栈桢。因此在kernel中必须关闭redzone。

结语

本文的内容基本只能保证可以编译出来一个baremetal的rust程序，还无法实际执行任何有意义的代码。例如在执行入口函数_start之前，我们需要stack已经初始化（因为rustc编译出的二进制有这个假定）。对于x86_64程序来说，当前处于real mode/protect mode/long mode等也都很重要。 在x86_64架构生态下，BIOS和UEFI固件提供了类似的基础。

Reference