add os[1-8]-ref for os refereces, add guide, add README

guide/source/chapter2/3batch-system.rst

@@ -0,0 +1,168 @@
+
+.. _term-batchos:
+
+实现批处理操作系统
+==============================
+
+.. toctree::
+   :hidden:
+   :maxdepth: 5
+
+将应用程序链接到内核
+--------------------------------------------
+
+在本章中，我们要把应用程序的二进制镜像文件作为数据段链接到内核里，
+内核需要知道应用程序的数量和它们的位置。
+
+在 ``os/src/main.rs`` 中能够找到这样一行：
+
+.. code-block:: rust
+
+    core::arch::global_asm!(include_str!("link_app.S"));
+
+这里我们引入了一段汇编代码 ``link_app.S`` ，它是在 ``make run`` 构建操作系统时自动生成的，里面的内容大致如下：
+
+.. code-block:: asm
+    :linenos:
+
+    # os/src/link_app.S
+
+        .align 3
+        .section .data
+        .global _num_app
+    _num_app:
+        .quad 3
+        .quad app_0_start
+        .quad app_1_start
+        .quad app_2_start
+        .quad app_2_end
+
+        .section .data
+        .global app_0_start
+        .global app_0_end
+    app_0_start:
+        .incbin "../user/target/riscv64gc-unknown-none-elf/release/hello_world.bin"
+    app_0_end:
+
+        .section .data
+        .global app_1_start
+        .global app_1_end
+    app_1_start:
+        .incbin "../user/target/riscv64gc-unknown-none-elf/release/bad_address.bin"
+    app_1_end:
+
+        .section .data
+        .global app_2_start
+        .global app_2_end
+    app_2_start:
+        .incbin "../user/target/riscv64gc-unknown-none-elf/release/power.bin"
+    app_2_end:
+
+第 13 行开始的三个数据段分别插入了三个应用程序的二进制镜像，
+并且各自有一对全局符号 ``app_*_start, app_*_end`` 指示它们的开始和结束位置。
+而第 3 行开始的另一个数据段相当于一个 64 位整数数组。
+数组中的第一个元素表示应用程序的数量，后面则按照顺序放置每个应用程序的起始地址，
+最后一个元素放置最后一个应用程序的结束位置。这样数组中相邻两个元素记录了每个应用程序的始末位置，
+这个数组所在的位置由全局符号 ``_num_app`` 所指示。
+
+这个文件是在 ``cargo build`` 时，由脚本 ``os/build.rs`` 控制生成的。
+
+找到并加载应用程序二进制码
+-----------------------------------------------
+
+我们在 ``os`` 的 ``batch`` 子模块中实现一个应用管理器 ``AppManager`` ，结构体定义如下：
+
+.. code-block:: rust
+
+    struct AppManager {
+        num_app: usize,
+        current_app: usize,
+        app_start: [usize; MAX_APP_NUM + 1],
+    }
+
+初始化 ``AppManager`` 的全局实例：
+
+.. code-block:: rust
+
+    lazy_static! {
+        static ref APP_MANAGER: UPSafeCell<AppManager> = unsafe {
+            UPSafeCell::new({
+                extern "C" {
+                    fn _num_app();
+                }
+                let num_app_ptr = _num_app as usize as *const usize;
+                let num_app = num_app_ptr.read_volatile();
+                let mut app_start: [usize; MAX_APP_NUM + 1] = [0; MAX_APP_NUM + 1];
+                let app_start_raw: &[usize] =
+                    core::slice::from_raw_parts(num_app_ptr.add(1), num_app + 1);
+                app_start[..=num_app].copy_from_slice(app_start_raw);
+                AppManager {
+                    num_app,
+                    current_app: 0,
+                    app_start,
+                }
+            })
+        };
+    }
+
+初始化的逻辑很简单，就是找到 ``link_app.S`` 中提供的符号 ``_num_app`` ，并从这里开始解析出应用数量以及各个应用的开头地址。
+用容器 ``UPSafeCell`` 包裹 ``AppManager`` 是为了防止全局对象 ``APP_MANAGER`` 被重复获取。
+
+.. note::
+
+    ``UPSafeCell`` 实现在 ``sync`` 模块中，调用 ``exclusive_access`` 方法能获取其内部对象的可变引用，
+    如果程序运行中同时存在多个这样的引用，会触发 ``already borrowed: BorrowMutError``。
+
+    ``UPSafeCell`` 既提供了内部可变性，又在单核情境下防止了内部对象被重复借用，我们将在后文中多次见到它。
+
+这里使用了外部库 ``lazy_static`` 提供的 ``lazy_static!`` 宏。
+
+``lazy_static!`` 宏提供了全局变量的运行时初始化功能。一般情况下，全局变量必须在编译期设置初始值，
+但是有些全局变量的初始化依赖于运行期间才能得到的数据。
+如这里我们借助 ``lazy_static!`` 声明了一个 ``AppManager`` 结构的名为 ``APP_MANAGER`` 的全局实例，
+只有在它第一次被使用到的时候才会进行实际的初始化工作。
+
+``AppManager`` 的方法中， ``print_app_info/get_current_app/move_to_next_app`` 都相当简单直接，需要说明的是 ``load_app``：
+
+.. code-block:: rust
+    :linenos:
+
+    unsafe fn load_app(&self, app_id: usize) {
+        if app_id >= self.num_app {
+            panic!("All applications completed!");
+        }
+        info!("[kernel] Loading app_{}", app_id);
+        // clear icache
+        core::arch::asm!("fence.i");
+        // clear app area
+        core::slice::from_raw_parts_mut(APP_BASE_ADDRESS as *mut u8, APP_SIZE_LIMIT).fill(0);
+        let app_src = core::slice::from_raw_parts(
+            self.app_start[app_id] as *const u8,
+            self.app_start[app_id + 1] - self.app_start[app_id],
+        );
+        let app_dst = core::slice::from_raw_parts_mut(APP_BASE_ADDRESS as *mut u8, app_src.len());
+        app_dst.copy_from_slice(app_src);
+    }
+
+这个方法负责将参数 ``app_id`` 对应的应用程序的二进制镜像加载到物理内存以 ``0x80400000`` 起始的位置，
+这个位置是批处理操作系统和应用程序之间约定的常数地址。
+我们将从这里开始的一块内存清空，然后找到待加载应用二进制镜像的位置，并将它复制到正确的位置。
+
+清空内存前，我们插入了一条奇怪的汇编指令 ``fence.i`` ，它是用来清理 i-cache 的。
+我们知道， 缓存又分成 **数据缓存** (d-cache) 和 **指令缓存** (i-cache) 两部分，分别在 CPU 访存和取指的时候使用。
+通常情况下， CPU 会认为程序的代码段不会发生变化，因此 i-cache 是一种只读缓存。
+但在这里，我们会修改会被 CPU 取指的内存区域，使得 i-cache 中含有与内存不一致的内容，
+必须使用 ``fence.i`` 指令手动清空 i-cache ，让里面所有的内容全部失效，
+才能够保证程序执行正确性。
+
+.. warning::
+
+   **模拟器与真机的不同之处**
+
+   在 Qemu 模拟器上，即使不加刷新 i-cache 的指令，大概率也能正常运行，但在物理计算机上不是这样。
+
+``batch`` 子模块对外暴露出如下接口：
+
+- ``init`` ：调用 ``print_app_info`` 的时第一次用到了全局变量 ``APP_MANAGER`` ，它在这时完成初始化；
+- ``run_next_app`` ：批处理操作系统的核心操作，即加载并运行下一个应用程序。
+  批处理操作系统完成初始化，或者应用程序运行结束/出错后会调用该函数。下节再介绍其具体实现。