[rCore学习笔记 022]多道程序与分时任务

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：1160712160@qq.com

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:

1. 使用$(APPS)是检查这些文件有没有更新
2. 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:

1. 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
2. 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::<TrapContext>()) 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<AppManager> = 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,

1. 在main.rs里增加pub mod loader
2. 把batch::run_next_app换成loader::run_next_app
3. 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!