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[rCore学习笔记 022]多道程序与分时任务

时间：2024-08-07　|　来源：　|　阅读：118

话题： 2 C

写在前面本随笔是非常菜的菜鸡写的。如有问题请及时提出。可以联系：[email protected] GitHhub：https://github.com/WindDevil （目前啥也没有思考上一节我们也提到了关于多道程序的放置和加载问题的事情.对比上一章的加载,我们需要把所有的APP全部都

写在前面

本随笔是非常菜的菜鸡写的。如有问题请及时提出。

可以联系：[email protected]

GitHhub： https://github.com/WindDevil （目前啥也没有

思考

上一节我们也提到了关于多道程序的放置和加载问题的事情.对比上一章的加载,我们需要把所有的APP全部都加载到内存中.

在这一节的描述中, 官方文档提出了:
但我们也会了解到，每个应用程序需要知道自己运行时在内存中的不同位置，这对应用程序的编写带来了一定的麻烦。而且操作系统也要知道每个应用程序运行时的位置，不能 任意移动应用程序所在的内存空间 ，即不能在运行时根据内存空间的动态空闲情况，把应用程序 调整到合适的空闲空间 中。

这里其实我脑子里是非常难受的,就是关于这个 调整到合适的空闲空间中 , 因为上一章的程序也没有这个功能,我感觉是后续的内容可能会涉及到对于 碎片空间 的利用.

多道程序的放置

回想我们上一章的时候让我们惊叹的 link_app.S 和对应的 build.rs 脚本,我们可以猜想到大概也是要通过 build.rs 来修改每个APP的链接地址.

可是 build.py 已经忘记了,唉,不知道这个记忆力需要学到啥时候才能学完.

回顾 link_app.S ,可以看到,实际上在 .data 段保存了所有的APP:


    .align 3
    .section .data
    .global _num_app
_num_app:
    .quad 7
    .quad app_0_start
    .quad app_1_start
    .quad app_2_start
    .quad app_3_start
    .quad app_4_start
    .quad app_5_start
    .quad app_6_start
    .quad app_6_end

    .section .data
    .global app_0_start
    .global app_0_end
app_0_start:
    .incbin "../user/target/riscv64gc-unknown-none-elf/release/00hello_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/01store_fault.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/02power.bin"
app_2_end:

    .section .data
    .global app_3_start
    .global app_3_end
app_3_start:
    .incbin "../user/target/riscv64gc-unknown-none-elf/release/03priv_inst.bin"
app_3_end:

    .section .data
    .global app_4_start
    .global app_4_end
app_4_start:
    .incbin "../user/target/riscv64gc-unknown-none-elf/release/04priv_csr.bin"
app_4_end:

    .section .data
    .global app_5_start
    .global app_5_end
app_5_start:
    .incbin "../user/target/riscv64gc-unknown-none-elf/release/test1_write0.bin"
app_5_end:

    .section .data
    .global app_6_start
    .global app_6_end
app_6_start:
    .incbin "../user/target/riscv64gc-unknown-none-elf/release/test1_write1.bin"
app_6_end:

这时候脑子里浮现出一个想法,那么这难道不算全部都加载到内存里了吗?

很显然不是,只是链接在了 .data 段.

查看 user 下的 link.ld ,你可以看到所有的APP的起始地址都是 0x80400000 :

OUTPUT_ARCH(riscv)
ENTRY(_start)

BASE_ADDRESS = 0x80400000;

SECTIONS
{
    . = BASE_ADDRESS;
    .text : {
        *(.text.entry)
        *(.text .text.*)
    }
    .rodata : {
        *(.rodata .rodata.*)
        *(.srodata .srodata.*)
    }
    .data : {
        *(.data .data.*)
        *(.sdata .sdata.*)
    }
    .bss : {
        start_bss = .;
        *(.bss .bss.*)
        *(.sbss .sbss.*)
        end_bss = .;
    }
    /DISCARD/ : {
        *(.eh_frame)
        *(.debug*)
    }
}

所以如果想要所有的APP都能够加载在一起,那么需要修改的是 user 下的 link.ld .

为什么要这么做, 官方文档做出了描述:
之所以要有这么苛刻的条件，是因为目前的操作系统内核的能力还是比较弱的，对应用程序通用性的支持也不够（比如不支持加载应用到内存中的任意地址运行），这也进一步导致了应用程序编程上不够方便和通用（应用需要指定自己运行的内存地址）。事实上，目前应用程序的编址方式是基于绝对位置的，并没做到与位置无关，内核也没有提供相应的地址重定位机制。

因此,通过在 user 下写一个 build.py 来对每一个APP生成一个链接文件,(所以还是python好用吗):

 # user/build.py

 import os

 base_address = 0x80400000
 step = 0x20000
 linker = 'src/linker.ld'

 app_id = 0
 apps = os.listdir('src/bin')
 apps.sort()
 for app in apps:
     app = app[:app.find('.')]
     lines = []
     lines_before = []
     with open(linker, 'r') as f:
         for line in f.readlines():
             lines_before.append(line)
             line = line.replace(hex(base_address), hex(base_address+step*app_id))
             lines.append(line)
     with open(linker, 'w+') as f:
         f.writelines(lines)
     os.system('cargo build --bin %s --release' % app)
     print('[build.py] application %s start with address %s' %(app, hex(base_address+step*app_id)))
     with open(linker, 'w+') as f:
         f.writelines(lines_before)
     app_id = app_id + 1

这个文件是对 link.ld 里的 0x80400000 进行修改,每一个步长为 0x20000 ,修改好了之后就开始使用 cargo build --bin 来单独构建对应APP.

这时候就体现了我的想当然,上一部分的学习中,我们学到 build.rs 会在执行 cargo run 之前被调用,这时候我们就盲目地认为 build.py 也会被调用.

实际上不是这样的,我们需要在 make build 的过程中调用它,因此需要修改 user/Makefile .

增加:

APPS := $(wildcard $(APP_DIR)/*.rs)
...
elf: $(APPS)
? ? @python3 build.py
...

这里会有一些我看不太懂的地方,我们询问通义千问 :

使用 $(APPS) 是检查这些文件有没有更新
使用 @ 是指静默运行指令

但是我们会发现当前AI的局限性,他们是懂得,我总感觉还少点什么少点提纲挈领的东西.

于是我们可以查询 Makefile教程和示例指南 (foofun.cn) .

Makefile语法:

Makefile由一组 rules 组成。 rule通常如下所示：

targets: prerequisites
	command
	command
	command

targets （目标）是文件名，用空格分隔。通常，每个rule只有一个。
commands （命令）是通常用于创建目标的一系列步骤。这些 需要以制表符 开头，不可以是空格。
prerequisites （先决条件）也是文件名，用空格分隔。在运行目标的命令之前，这些文件需要存在。这些也称为 dependencies （依赖项）

可以看到,这一句基本语法,比我们凭借想象和经验的理解要好上很多倍.这个 $(APPS) 我们把它归类为 prerequisites ,自然就可以理解makefile在工作时会尝试检查文件的存在.

同样我们可以知道使用 $() 是引用变量,使用 $(fn, arguments) 是调用函数,这个不要搞不清楚,具体的还是看 Makefile教程和示例指南 (foofun.cn) .

这里有两个TIPS:

搜索的时候增加 filetype:pdf 在寻找成体系的理论性的东西的时候很好用
搜索的时候用 英文+cookbook 的方式往往能够找到很好的工程手册

这就说明了开源世界的重要性,做完rCore,我想我们应该去贡献一下开源世界.

官方的文件还添加了:

...
clean:
	@cargo clean

.PHONY: elf binary build clean

clean 的具体实现不再赘述,而 .PHONY 的意思是 伪目标(phony targets) ,用于列出那些并非真实文件的目标,而是代表某种操作的标签.

声明了伪目标, make 的过程中就不会去寻找这些文件存在与否,但是本身makefile有很强大的解析功能,因此 大部分情况不声明 .PHONY 也是没关系的 .

多道应用程序的加载

思考上一章中应用程序的加载是通过结构体 AppManager 的 load_app 方法来实现.

unsafe fn load_app(&self, app_id: usize) {
	if app_id >= self.num_app {
		println!("All applications completed!");
		//panic!("Shutdown machine!");
		shutdown(false);
	}
	println!("[kernel] Loading app_{}", app_id);
	// 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);
	// Memory fence about fetching the instruction memory
	// It is guaranteed that a subsequent instruction fetch must
	// observes all previous writes to the instruction memory.
	// Therefore, fence.i must be executed after we have loaded
	// the code of the next app into the instruction memory.
	// See also: riscv non-priv spec chapter 3, 'Zifencei' extension.
	asm!("fence.i");
}

可以看到实际上是在 .data 段把APP直接拷贝到内存之中.

但是本章是没这个环节的,是把应用程序一股脑加载到内存中.

这里脑子里冒出来一个问题,为什么不直接就地运行APP(指直接把 sp 寄存器指向链接到的位置).这里忽略了在 .data 段的APP是不能写入的.

那么对于已经分别设置为不同的 BASE_ADDRESS 的APP,我们要想办法把他们从 .data 中加载到内存中.

替代上一节的 batch.rs ,我们创建 os/src/loader.rs ,里边有 load_apps 和 get_base_i 以及``:

 // os/src/loader.rs

pub fn load_apps() {
 extern "C" { fn _num_app(); }
 let num_app_ptr = _num_app as usize as *const usize;
 let num_app = get_num_app();
 let app_start = unsafe {
	 core::slice::from_raw_parts(num_app_ptr.add(1), num_app + 1)
 };
 // load apps
 for i in 0..num_app {
	 let base_i = get_base_i(i);
	 // clear region
	 (base_i..base_i + APP_SIZE_LIMIT).for_each(|addr| unsafe {
		 (addr as *mut u8).write_volatile(0)
	 });
	 // load app from data section to memory
	 let src = unsafe {
		 core::slice::from_raw_parts(
			 app_start[i] as *const u8,
			 app_start[i + 1] - app_start[i]
		 )
	 };
	 let dst = unsafe {
		 core::slice::from_raw_parts_mut(base_i as *mut u8, src.len())
	 };
	 dst.copy_from_slice(src);
 }
 unsafe {
	 asm!("fence.i");
 }
}

fn get_base_i(app_id: usize) -> usize {
 APP_BASE_ADDRESS + app_id * APP_SIZE_LIMIT
}

pub fn get_num_app() -> usize {
    extern "C" {
        fn _num_app();
    }
    unsafe { (_num_app as usize as *const usize).read_volatile() }
}

可以看到在 load_apps 中,首先使用 get_base_i 计算当前的APP的偏置地址,然后使用和上一章相同的方法,把APP的内容加载进去.而 get_num_app 则负责直接获取APP的数量.

同样地,我们即使使用的是多道程序放置及加载的程序,那么我们仍然需要 内核栈 和 用户栈 .

另外,在官方的实现中,使用了一个 config.rs 用来储存 用户层APP 的各项配置.

//! Constants used in rCore

pub const USER_STACK_SIZE: usize = 4096 * 2;
pub const KERNEL_STACK_SIZE: usize = 4096 * 2;
pub const MAX_APP_NUM: usize = 4;
pub const APP_BASE_ADDRESS: usize = 0x80400000;
pub const APP_SIZE_LIMIT: usize = 0x20000;

因为程序之间的数据是不能共享的,而且也为了防止出现上下文错误,因此需要给每一个APP设置一套 用户栈 和 内核栈 :

#[repr(align(4096))]
#[derive(Copy, Clone)]
struct KernelStack {
    data: [u8; KERNEL_STACK_SIZE],
}

#[repr(align(4096))]
#[derive(Copy, Clone)]
struct UserStack {
    data: [u8; USER_STACK_SIZE],
}

static KERNEL_STACK: [KernelStack; MAX_APP_NUM] = [KernelStack {
    data: [0; KERNEL_STACK_SIZE],
}; MAX_APP_NUM];

static USER_STACK: [UserStack; MAX_APP_NUM] = [UserStack {
    data: [0; USER_STACK_SIZE],
}; MAX_APP_NUM];

impl KernelStack {
    fn get_sp(&self) -> usize {
        self.data.as_ptr() as usize + KERNEL_STACK_SIZE
    }
    pub fn push_context(&self, trap_cx: TrapContext) -> usize {
        let trap_cx_ptr = (self.get_sp() - core::mem::size_of::()) as *mut TrapContext;
        unsafe {
            *trap_cx_ptr = trap_cx;
        }
        trap_cx_ptr as usize
    }
}

impl UserStack {
    fn get_sp(&self) -> usize {
        self.data.as_ptr() as usize + USER_STACK_SIZE
    }
}

同时,因为目前所有的APP都已经加载,因此不需要保存每个APP在未加载时候的位置,因此对 AppManager 进行裁剪,只保留当前APP和APP总数的功能,同时在 lazy_static 里边使用 get_num_app 简化操作:

struct AppManager {
    num_app: usize,
    current_app: usize,
}

impl AppManager {
    pub fn get_current_app(&self) -> usize {
        self.current_app
    }

    pub fn move_to_next_app(&mut self) {
        self.current_app += 1;
    }
}

lazy_static! {
    static ref APP_MANAGER: UPSafeCell = unsafe {
        UPSafeCell::new({
            let num_app = get_num_app();
            AppManager {
                num_app,
                current_app: 0,
            }
        })
    };
}

同样地,我们也需要定制一个上下文,使用 __restore 利用这个上下文 恢复(实际上可以理解为配置上下文) 到 用户态 .

这时候脑子里的流出就不是单纯的 sp 和 sscratch 在 用户态 和 内核态 互换了,而是 __restore 把第一个参数 a0 里的函数入口 entry 送入了 sp ,然后又通过后续一系列操作把以这个 sp 为基准的 sscratch 也配置进去.这样就实现了多个APP上下文的切换.

这里截取一小段 __restore :

...
mv sp, a0
ld t0, 32*8(sp)
ld t1, 33*8(sp)
ld t2, 2*8(sp)
csrw sstatus, t0
csrw sepc, t1
csrw sscratch, t2
...

那么怎么制定这个上下文呢,我们可以想到 TrapContext 结构体的两个组成部分一个是 用户栈的位置 一个是 APP入口 位置,这里偷取官方的代码,

pub fn init_app_cx(app_id: usize) -> usize {
    KERNEL_STACK[app_id].push_context(TrapContext::app_init_context(
        get_base_i(app_id),
        USER_STACK[app_id].get_sp(),
    ))
}

然后改造上一章写得 run_next_app 即可,这里的关键点在于1. 去掉加载APP的环节 2. 因为去掉加载APP的环节,因此需要在切换而不是在加载的时候判断APP是不是运行结束:

pub fn run_next_app() -> ! {
    let mut app_manager = APP_MANAGER.exclusive_access();
    let current_app = app_manager.get_current_app();
    if current_app >= app_manager.num_app-1 {
        println!("All applications completed!");
        shutdown(false);
    }
    app_manager.move_to_next_app();
    drop(app_manager);
    // before this we have to drop local variables related to resources manually
    // and release the resources
    extern "C" {
        fn __restore(cx_addr: usize);
    }
    unsafe {
        __restore(init_app_cx(current_app));
    }
    panic!("Unreachable in batch::run_current_app!");
}

随后需要在代码里解决一些依赖问题,

在 main.rs 里增加 pub mod loader
把 batch::run_next_app 换成 loader::run_next_app
在 main 函数中把 batch 的初始化和运行修改为 loader::load_apps(); 和 loader::run_next_app();

尝试运行

根据评论区的经验,我建议大家先执行一下 clean :

cd user
make clean
make build
cd ../os
make run

运行结果:

[rustsbi] RustSBI version 0.3.1, adapting to RISC-V SBI v1.0.0
.______       __    __      _______.___________.  _______..______   __
|   _  \     |  |  |  |    /       |           | /       ||   _  \ |  |
|  |_)  |    |  |  |  |   |   (----`---|  |----`|   (----`|  |_)  ||  |
|      /     |  |  |  |    \   \       |  |      \   \    |   _  < |  |
|  |\  \----.|  `--'  |.----)   |      |  |  .----)   |   |  |_)  ||  |
| _| `._____| \______/ |_______/       |__|  |_______/    |______/ |__|
[rustsbi] Implementation     : RustSBI-QEMU Version 0.2.0-alpha.2
[rustsbi] Platform Name      : riscv-virtio,qemu
[rustsbi] Platform SMP       : 1
[rustsbi] Platform Memory    : 0x80000000..0x88000000
[rustsbi] Boot HART          : 0
[rustsbi] Device Tree Region : 0x87000000..0x87000f02
[rustsbi] Firmware Address   : 0x80000000
[rustsbi] Supervisor Address : 0x80200000
[rustsbi] pmp01: 0x00000000..0x80000000 (-wr)
[rustsbi] pmp02: 0x80000000..0x80200000 (---)
[rustsbi] pmp03: 0x80200000..0x88000000 (xwr)
[rustsbi] pmp04: 0x88000000..0x00000000 (-wr)
[kernel] Hello, world!
[kernel] trap init end
Hello, world!
[kernel] Application exited with code 0
Into Test store_fault, we will insert an invalid store operation...
Kernel should kill this application!
[kernel] PageFault in application, kernel killed it.
3^10000=5079(MOD 10007)
3^20000=8202(MOD 10007)
3^30000=8824(MOD 10007)
3^40000=5750(MOD 10007)
3^50000=3824(MOD 10007)
3^60000=8516(MOD 10007)
3^70000=2510(MOD 10007)
3^80000=9379(MOD 10007)
3^90000=2621(MOD 10007)
3^100000=2749(MOD 10007)
Test power OK!
[kernel] Application exited with code 0
Try to execute privileged instruction in U Mode
Kernel should kill this application!
[kernel] IllegalInstruction in application, kernel killed it.
All applications completed!