Fuchsia入门-zircon微内核单独编译启动

原创 thatway 那路谈OS与SoC嵌入式软件 2023-03-07 18:06 

“**实践出真知**”，对新手来说，别人给你说代码架构是怎样怎样的，给你一堆文档，看完还是**一头雾水**。实践很简单，就是代码编译运行，打log。之前的文章：[Fuchsia入门-简介和代码介绍](http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzUzMDMwNTg2Nw==&mid=2247484294&idx=1&sn=f95790f9d109f8653974fd2ca0a8dbc6&chksm=fa5285a2cd250cb45f99a71e3d58539ea55c4090204c909fc0a12ae260ed15563bd437b12ef5&scene=21#wechat_redirect)

，介绍Fuchsia的代码编译运行，但是操作起来很不爽：

  • 下载代码需要几个小时

  • 代码下载编译后达到将近100G空间

  • 编译需要两个小时

  • qemu运行卡顿 

这还怎么**学习调试**

，官网就是给咱摆了一道
，然后官网基本就是纯概念的讲解。针对这种情况，还想学习Fuchsia主要是zircon微内核原理的人就很痛苦，要么直接看网页代码
：https://cs.opensource.google/fuchsia/fuchsia/+/main:zircon/;bpv=0;bpt=0

然后看官网文档：

https://fuchsia.dev/fuchsia-src/get-started?hl=en上看看纯概念文档。 

但是还是那句话，**不运行这能学吗？**这也是本篇文章要解决的问题，我们需要**小而精**而且可以qemu运行的代码，直接上干货：**https://github.com/PanQL/zircon**

1. Zircon内核编译运行 

https://github.com/PanQL/zircon这个是清华的一个同学从Fuchsia官方的20190715版本代码仓库中分离出来的**Zircon代码**

，用于进行Zircon内核学习，现在已经没有了。可以通过Makefile脚本进行编译并在qemu上运行
。 

Zircon

是为
Fuchsia
提供支持的核心平台
。
Zircon
由内核（源代码在
/zircon/kernel
）以及系统启动、与硬件对话、加载用户空间所必需的一小组用户空间服务、驱动程序和库（源代码在
/zircon/system/

）组成处理并运行它们等。
Fuchsia
在此基础之上构建了一个更大的操作系统。 

可以这么说，学习

Fuchsia
的
精华和原理
，搞清楚这个
Zircon
就差不多了。

编译环境搭建： 

为了减小仓库体积，将prebuilt目录进行了大幅调整;因此运行之前请下载google预编译好的**clang**

：

https://chrome-infra-packages.appspot.com/p/fuchsia/clang/linux-amd64/+/

解压后放到某个权限合适的位置，这里我们放入/home/book/tools/clang

然后在代码的public/gn/toolchain/clang.gni
绝对目录
修改为对应位置，如下：

默认x64
架构编译运行
，在代码根目录下执行： 

Make build
Make run

如果想在arm平台
上执行，需要修改out/args.gn中的legacy-image-x64为legacy-image-arm64，然后执行： 

make build
make runarm

2. 学习感想分享 

现在我们有**可运行代码**

和
文档
，就像
OS
入门系列里面各个
OS
都有这两个东西，但是直接看代码也看不懂，直接看文档也不行，然后入门很困难，这里有一个大的误区： 

面对一个复杂系统，代码和文档**只看一遍是肯定不行的**

，需要三遍起步，而且要代码文档循环的一遍一遍看。 

事实就是这么残酷，没有不劳而获，只能付出时间。万事开头难，还有一个关键就是**怎么开头**

，我感觉开头首先要调动兴趣和积极性
，从自己擅长的角度，比如我觉得这个代码可以运行能打印出来我写的log
，我就会相信这个代码，感觉有兴趣去探索，那我们开始： 

我们先抛开官网那一堆概念，**直接看代码的启动过程**

，遇到不懂的代码再去看官网概念文档。然后接触一部分概念后，再整体去看一般概念（记不全），然后就是继续看代码，看代码有瓶颈了再看一般文档，循环往复，直到代码和文档都懂了。

修改代码：

运行：

到这里，是否能提起你的兴趣
去探索这个代码？ 

假如你已经有兴趣探索这个代码，那么接下来按照上面说的代码+文档循环往复，这里有一个**功力**

的问题：
有的人看的快，有的人看的慢
。或许你会说这跟
工作经验
有关系，大佬看一天的进度，小白可能需要一星期还得加班。是什么造成这样的差异？我们先扯点我自己的见解再开始进入代码，功力的高低的表现，比如有人说看代码如喝水，千把行不歇的，有让你说每一行看着都困难，一个函数摸索老半天，我感觉这里的功力
与共性知识
的积累相关，看的多了，积累的基础共性知识就多了，就看的更快。那么共性知识的本质是什么，还是人类理解世界的能力
，纵观人类的组织结构例如一个王朝
的组织就跟操作系统
里面很多机制很像，再本质一点为什么人类会这么组织，那就是我们的基因
，基因又是从自然
而来，假如换一个星球一切的根基就又不同了，像三体游戏里面从文明
的角度来看了，人类是有局限性，但是这种局限性促使我们更快的了解人类的共识，发展自我。 

我们去理解一个新的事物可以借助**共识**

，但是不能拘泥于细节和条条框框，站在共识的角度更容易去创新，例如最近马斯克说的汽车这么多零部件，当然这些零部件都是有用的，但是为什么不一体浇筑
岂不是更简单有效率，这种野蛮而又简单的想法像狼入羊群
一样，冲击传统思维但是又符合基本规律
。 

有时自己也有一些疑问，比如**学习这些东西对自己有多大帮助**

，以后忘记了怎么办，这点还想需要一个大局观，把握本质
脉络可能就是学习的真意，就像领导不看你细节的代码描述只要一个流程图或者框架图，随着这些知识的理解融汇
，最后达到一个复杂的、不可替代的程度，算是一个人才
了。 

路漫漫，笔者也是一个技术菜鸟，啥都不精通，毅力也不够，天赋也没有，写的这些文章也都是入门篇，之后代码分析估计你会体会到**一顿乱拳**

的感觉。只是去想想这些，总有点帮助。下面进入代码的的世界。

3. 编译过程分析

编译就是执行make build
，在代码根目录Makefile
中： 

build: config
cd out && ../buildtools/ninja
config:
buildtools/gn gen --export-compile-commands=x64 out

build依赖于config，conffig用了gn命令
，然后build中又使用了ninja命令
就完成了编译

代码doc文档里面有这两个工具的解释，都是谷歌很好用的编译工具。不细研究，我们先知道gn就是生成需要编译那些文件到out/compile_commands.json，ninja就去编译这些文件成二进制，ninja的优势就是增量编译和并行编译，代码修改后二次编译非常的快，就是这个痛点谷歌大牛
搞了这个工具，用着
超级棒
。

运行代码执行：make run 

./scripts/run-zircon-x64 -z
./out/legacy-image-x64.zbi -t ./out/multiboot.bin

./scripts/run-zircon-x64是个脚本： 

exec $DIR/run-zircon -a x64 "$@"

exec $DIR/run-zircon也是个脚本： 

exec $QEMU -kernel "$QEMU_KERNEL"
-initrd "$QEMU_INITRD" \
        $ARGS -append "$CMDLINE"
"$@"
  • $QEMU_KERNEL就是./out/legacy-image-x64.zbi，也就是

kernel镜像

  • $QEMU_INITRD就是./out/multiboot.bin

  • $ARGS就是

qemu命令

的参数

  • $CMDLINE就是传给

内核的参数

，在内核代码里面可以获取这些信息

那么./out/multiboot.bin是个什么东西？

Multiboot
是一个协议
，一般协议就是一个约定为了对接两部分的执行实体，具体来说BootLoader去适配Kernel，一般来说是一对一的关系，那么某个bootloader就不具有通用性，有问题就可以通过抽象一层来解决，所以就有了Multiboot协议，满足这个协议的bootloader和kernel可以随意的适配
。启动的顺序为qemu->bootloader->multiboot->kernel 

Bootloader和multiboot的代码在zicron工程下有，这里不深入研究，直接看kernel。

4. kernel入口分析

Kernel的入口为_start
，代码在kernel/arch/x86/start.S
中

从进入_start开始，到跳转到C语言入口lk_main
之前，start.S中主要依次完成以下这些任务：

  • 设置临时栈

  • 清空bss段（此处涉及KASLR的实现，清空之前进行了复制）

  • 初始化boot时期的alloc机制

  • 设置新的页表

  • 跳转到fixups代码所在位置，修正KASLR带来的偏差

  • 设置中断向量表

平台初始化可以参考：https://blog.csdn.net/ganyao939543405/article/details/85204534

进入lk_main（）函数就是大家熟系的c++语言
了，这里我们之前也加了打印。

为什么kernel的入口是_start？

legacy-image-x64.zbi可见kernel的格式是zbi（Zircon Boot Image），参考：https://fuchsia.dev/fuchsia-src/concepts/process/everything_between_power_on_and_your_component

ZBI
格式
是一种简单的容器格式
，它嵌入了引导加载程序传递的项目，包括特定于硬件的信息、提供引导选项的
内核
“
命令行
”
和
RAM
磁盘映像（通常是压缩的）。
内核在引导的早期阶段提取一些基本信息供自己使用。

kernel/target/pc/multiboot/multiboot-main.c中对zbi进行了解析 

// Find the kernel item.
const zbi_header_t* kernel_item_header = NULL;
result = zbi_for_each(zbi, &find_kernel_item,
&kernel_item_header);
if (result != ZBI_RESULT_INCOMPLETE_KERNEL)
{
  panic("ZBI missing kernel");
}
// This is the kernel item's payload, but it expects the whole
// zircon_kernel_t (i.e. starting with the container header) to be loaded
// at PHYS_LOAD_ADDRESS.
const zbi_kernel_t* kernel_header = (const void*)(kernel_item_header + 1);

zbi是二进制文件，里面开头放了zbi_header_t
和zbi_kernel_t

这两个结构体的定义见system/public/zircon/boot/image.h，这个文件也是ZBI格式定义的核心文件。

Multiboot解析zbi文件后把kernel入口地址放入了寄存器，之后就跳转执行了 

"a"(kernel_entry), // %rax: kernel entry point

再来看_start，在kernel/arch/x86/start.S中 

// These symbols are used by image.S
.global IMAGE_ELF_ENTRY
IMAGE_ELF_ENTRY = _start

在kernel/image.ld链接文件中，规定了入口地址 

ENTRY(IMAGE_ELF_ENTRY)

但是看这个链接文件上面的解释，zicrcon并没有用到这个ENTRY而是对zbi二进制文件直接解析找到的IMAGE_ELF_ENTRY，同样在kernel/arch/x86/start.S中如下： 

// ZBI file header (zbi_header_t)
ZBI_CONTAINER_HEADER(_zbi_file_header,
boot_load_end - _zbi_kernel_header)
// ZBI kernel header (zbi_header_t)
DATA(_zbi_kernel_header)
.int ZBI_TYPE_KERNEL_X64
.int boot_load_end - _zbi_kernel_payload
.int 0
.int ZBI_FLAG_VERSION
.int 0
.int 0
.int ZBI_ITEM_MAGIC
.int ZBI_ITEM_NO_CRC32
END_DATA(_zbi_kernel_header)
// ZBI_TYPE_KERNEL payload (zbi_kernel_t)
DATA(_zbi_kernel_payload)
.quad PHYS(IMAGE_ELF_ENTRY)     //该处地址为start.S中的_start地址
.quad boot_bss_end - boot_load_end // 在该image加载之后，还应该余下多少内存空间
END_DATA(_zbi_kernel_payload)

篇幅有限，下次继续从**lk_main**

介绍启动流程
，可能会更多的涉及zicron内核里面的内核对象
，这些内核对象是OS里面很基本和简单的抽象，不像linux宏内核那么复杂，更容易理解OS。

后记： 

Fuchsia入门文章：[Fuchsia入门-简介和代码介绍](http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzUzMDMwNTg2Nw==&mid=2247484294&idx=1&sn=f95790f9d109f8653974fd2ca0a8dbc6&chksm=fa5285a2cd250cb45f99a71e3d58539ea55c4090204c909fc0a12ae260ed15563bd437b12ef5&scene=21#wechat_redirect)

的阅读量
目前还是最高
的，说明大家对这个系统很有兴趣，一起来学习吧。

“啥都懂一点
，啥都不精通
，

干啥都能干
，干啥啥不是
，

专业入门劝退
，堪称程序员杂家
”。 

后续会继续更新，

纯干货
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