W15 - 实习总结：异步驱动三个月，从 D1 串口到 SMP=16 网卡¶
周期：2026-09-26 ~ 2026-10-02（实习总结，覆盖 2026-06-21 ~ 2026-09-27）
仓库：StarryOS（daivy2333/StarryOS，mul-hart-k3 分支）
实习内容是在 StarryOS 上做异步驱动开发。三个月里设计了异步驱动的统一架构：串口在 Lichee RV Dock D1 真板上正常收发（64B 短包 96.6% 线速），网卡在 QEMU 十六核（SMP=16）下 TCP/UDP 双向正常、poll/select 就绪可用、故障注入后可恢复。9/26 工作收口，9/27 迁移项目文档体系。实习期间共 153 个提交、14 篇周报、42 篇学习笔记。
实习概况¶
| 项 | 内容 |
|---|---|
| 时间 | 2026-06-21 ~ 2026-09-27（14 周） |
| 项目 | StarryOS：Rust 编写的宏内核，基于 ArceOS 组件化架构 |
| 方向 | 异步驱动开发：UART 串口 → VirtIO 网卡，QEMU 与真板双线取证 |
| 代码 | 153 个提交，主线 mul-hart-k3（前期为 uart-16550-lichee、net-k3） |
| 记录 | 周报 W01–W14、学习笔记 42 篇（本仓 docs/notes/ 四个分区） |
实习之前的训练营记录在 2026sOsReport，本仓从实习第一天开始记的。
驱动架构设计¶
通用骨架。把"中断进来到应用拿到数据"拆成触发链四段：ISR 收中断、读寄存器识别原因、唤醒 waker、调度异步任务。四段跨设备同构，配四条契约：ISR 不搬数据，只做原因确认、清中断、唤醒；waker 注册后立即重查硬件状态，防丢唤醒；每轮工作量有上限，积压显式可见；返回等待前先释放锁再唤醒。串口和网卡的骨架遵循同一套契约；数据结构层因设备而异（字节流 vs 整包），不做强行抽象。网卡开发与测试全程，异步串口一直作为控制台承担系统输入输出——SMP=16 那轮运行的记录本身就是经串口打印的，两个驱动在同一内核里共存工作，说明这套骨架契约可以支撑更多同路径异步驱动同时共存。
串口：双环形缓冲 + 双后台任务。收发各用一个无锁 SPSC 环形缓冲，RX/TX 两个 copier 任务在缓冲与硬件间搬数据，ISR 只读状态、关中断、唤醒，向上经 TTY 行规程接到用户 read/write。空闲时全链路睡眠，数据密集时 copier 切轮询连续抽干，把中断次数压到最低；TX 方向多一层 tcdrain 排空等待和慢轮询回退。驱动通过 OsRuntime/OsWakerSet 两个 trait 对接操作系统，不依赖具体任务与轮询实现，换平台只换适配层。
网卡：五层 + 发送记录 + 恢复语义。从硬件到应用五层：ISR 只清中断唤醒；队列 owner 是唯一后台任务，收（reap/refill）与发（submit/reclaim）预算制推进；栈 runner 常驻推进 smoltcp 的收发、维护与定时器；就绪桥把单槽 waker 展开成多等待者，socket 就绪状态接到 poll/select。收发以描述符和固定槽位为所有权单位，内存有硬上界；每次发送带代际号与序号，提交、完成、回收三处计数闭合后缓冲区才复用，迟到的完成通知不跨代生效。恢复按等待者取消、提交前撤销、设备持有三段区分，超时与设备复位分阶段处理，复位必须确认设备状态清零后才重建队列。
多核：绑核 + 本地优先唤醒。K3 的 AP 域有 8 × X100 + 8 × A100 共 16 个核，两个驱动的后台角色固定绑核（角色 i 落在可调度集合第 (anchor + i) 个），绑定在入队前完成。内核临界区从"只关本地中断"升级为"本地中断恢复 + 全局互斥 + 每核嵌套计数"，调度组件增加入队前绑核与远端唤醒 IPI。唤醒优先本地完成，必须跨核时恰好发一次 IPI，避免唤醒风暴。另加两组快照观测（串口 152 字节、网卡 V5），可直接读出"谁跑在哪个核"。
落地过程¶
阶段一：异步串口 + D1 真板（6/21 ~ 7/25）。拆分真板验证目标并行推进；新建 D1 平台组件，补页表属性、early console、中断控制器处理，隔离真板上不存在的 virtio/PCI 路径；端到端打通 /dev/console、TTY、tcdrain、非阻塞 I/O，userbench 在真板跑通。修掉一批只在真板暴露的问题：THRE 边沿丢失导致 tcdrain 不返回、64B 标准输出积压污染测量（修完 D1 64B 从约 1 KB/s 提到 11.13 KB/s）、TX copier 预算耗尽卡死。另做 Console 轮询对照，量化异步方案的 CPU 收益。7/25 串口主线文档归档。详见 M00 月报 和 W01 ~ W05。
阶段二：异步网卡，QEMU 单核（7/26 ~ 9/4）。按"同步接通 → 轮询 → 中断诊断 → 收包异步化 → 双向有界数据面 → 协议栈自主推进 → poll/select 就绪 → 故障恢复"的顺序逐步落地，每步只变一个主要改动：7/29 同步方式接通协议栈、VirtIO-MMIO 轮询回退；8/3 中断诊断链路；8/6 轮询性能对照；8/12 收包异步化；8/19 双向有界数据面（12 轮开发，27 项任务）；8/27 应用可直接 poll/select 的异步网络；9/2 故障恢复语义收口，注入等待者取消、提交前撤销、设备复位、链路抖动等故障，无重复释放、永久挂起或静默丢包。详见 W06 ~ W11。
阶段三：K3 板与多核（9/5 ~ 9/27）。K3（进迭时空）板卡接线、SSH 连通、工具链配置，资料沉淀到 daivy2333/k3。9/16 定多核适配方案后按上面「多核」设计实施，过程中修掉 TX 丢唤醒（waker 注册后重查重试）、release 构建越界读出幽灵核（掩码类型加容量检查）。9/26 SMP=16 六组场景跑通（见下节）。9/27 提交验证装置（内核探针 + 宿主机对端脚本 + 纯输出校验器）与复现手册（5df918cd）。
运行效果¶
以下数据全部取自仓库留档的真实运行记录。
串口：D1 真板收发（2026-07-07 基准，115200 bps 物理线速）¶
| 场景 | 实测输出 |
|---|---|
| 64B 短包写 + 排空 ×100 | 11.13 KB/s，96.6% 线速，short_writes=0，排空错误 0 |
| 256B / 1024B 写 + 排空 ×100 | 97.3% / 98.8% 线速 |
| 1024B 批量排空（8 写 1 排） | 99.1% 线速 |
| 单字节发送延迟 ×100 | 平均 0.186 ms |
| 非阻塞读（O_NONBLOCK 与 FIONBIO 两种方式开启） | PASS，空读正确返回 EAGAIN |
| 内核态入队速度 | 64B 包 4.2 MB/s（约物理线速的 368 倍，写入不阻塞） |
| 接收路径微基准 | RX 环形缓冲读 8.4 GB/s，读取延迟 P99 246 ns |
| 整轮基准 | 进程 exit 0 |
真板启动日志同时确认：MMIO 映射（stride=4）、IRQ 18 注册成功、双 64 KB 缓冲就位。完整输出留档于 StarryOS 仓库 .agents/analysis/_archive/2026-07-11-q19c-d1-async-uart-closeout/lichee/。
网卡：SMP=16 六组场景（2026-09-26 运行，对应 K3 的 16 核）¶
网卡队列 owner 固定在 hart 15，协议栈 runner 固定在 hart 0，串口 RX/TX copier 分别在 hart 13/14：
| 场景 | 实测输出 |
|---|---|
| 绑核检查 | owner/runner 单例绑核、实际运行核与绑核一致、零拒绝，PASS |
| 关闭定时器下的跨核唤醒 | 唤醒完成 1 次、定时器恢复、无丢失；IPI 发送 = 接收 = 191 |
| TCP 双向 | 客内 socket 发 8 收 8，宿主机对端 ok；提交 11 = 完成 11 = 回收 11，PASS |
| UDP 双向 | 客内 socket 发 8 收 8；提交 21 = 完成 21 = 回收 21，PASS |
| 队列满载恢复 | 压满 64 槽再释放，恢复后发送 322 = 完成 322 = 回收 322、在途 0，PASS |
| 空闲安静窗口 | poll 就绪与实际 I/O 一致，静默期数据面无动作，PASS |
六组场景全部 PASS，探针退出码 0；宿主机抓包文件证实双向 echo 帧数与客内 socket 计数逐项一致。串口多核冒烟同轮通过：远端唤醒字节送达、IPI 因果计数 4 = 4、TX 环形缓冲收敛。留档于 StarryOS 仓库 openspec/changes/archive/2026-09-26-ms08-qemu-multi-hart-correctness-baseline/evidence/005-per-driver-smp16-fixed-qualification/003-rework/（guest 运行记录 + 抓包文件）。