mirror of
https://github.com/LearningOS/rust-based-os-comp2022.git
synced 2026-02-08 04:43:27 +08:00
168 lines
6.9 KiB
ReStructuredText
168 lines
6.9 KiB
ReStructuredText
|
||
.. _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。 |