唤醒应用
第一个应用都是内核运行的，下面就来看看怎么加载并运行应用
unsafe fn load_app(&mut self) { // clear app area let app_src = core::slice::from_raw_parts( self.app_start[0] as *const u8, self.app_start[1] - self.app_start[0], ); // 入口点是从 elf 加载的 let (memory_set, user_sp, entry_point) = MemorySet::from_elf(&app_src); self.token = memory_set.token(); // 通过查表, 从虚拟页获得实际的物理页 self.trap_cx_ppn = memory_set .translate(VirtAddr::from(TRAP_CONTEXT).into()) .unwrap() .ppn(); // 因为目前还是单任务, 暂没有 task 和 TaskContext, 只有 trap // 内核栈单纯用于内核的函数调用 // map a kernel-stack in kernel space let (kernel_stack_bottom, kernel_stack_top) = kernel_stack_position(0); KERNEL_SPACE.lock().insert_framed_area( kernel_stack_bottom.into(), kernel_stack_top.into(), MapPermission::R | MapPermission::W, ); // 获取 trap context 的指针并赋值 let trap_cx = self.trap_cx_ppn.get_mut(); *trap_cx = TrapContext::app_init_context( entry_point, user_sp, KERNEL_SPACE.lock().token(), kernel_stack_top, trap_handler as usize, ); } } pub fn run() -> ! { // 加载 app 到虚拟地址 unsafe { APP_MANAGER.inner.borrow_mut().load_app(); } // 调用 restore 启动 app trap_return(); }
- load_app 从内核的数据段加载应用的 elf
- 因为 TrapContext 在每个应用固定的虚拟地址，所以通过手动查映射可以查到
- 初始化 TrapContext ，通过 elf 中的 entry_point 设置 sepc 也就是 trap 后执行的第一行代码
- 跳到 restore 的地址，执行汇编
打印
铺垫了那么多，要在用户态打印就必须 trap 到内核态，要 trap 就必须满足
- 首先要保存寄存器到 trap context ，不同的是它在用户地址空间，因为只有一个 sscratch 做中转、用来保存 sp 了，没有中转 token(保存地址空间页表的地址)的寄存器
- 还要把地址空间切换到内核，因为需要的数据结构都在内核态，所以内核栈也在内核
先来满足 2 ，我们建立内核和应用地址空间
建立内核地址空间
pub fn new_kernel() -> Self { let mut memory_set = Self::new_bare(); // map trampoline memory_set.map_trampoline(); // map kernel sections println!(".text [{:#x}, {:#x})", stext as usize, etext as usize); println!(".rodata [{:#x}, {:#x})", srodata as usize, erodata as usize); println!(".data [{:#x}, {:#x})", sdata as usize, edata as usize); println!( ".bss [{:#x}, {:#x})", sbss_with_stack as usize, ebss as usize ); println!("mapping .text section"); memory_set.push( MapArea::new( (stext as usize).into(), (etext as usize).into(), MapType::Identical, MapPermission::R | MapPermission::X, ), None, ); println!("mapping .rodata section"); memory_set.push( MapArea::new( (srodata as usize).into(), (erodata as usize).into(), MapType::Identical, MapPermission::R, ), None, ); println!("mapping .data section"); memory_set.push( MapArea::new( (sdata as usize).into(), (edata as usize).into(), MapType::Identical, MapPermission::R | MapPermission::W, ), None, ); println!("mapping .bss section"); memory_set.push( MapArea::new( (sbss_with_stack as usize).into(), (ebss as usize).into(), MapType::Identical, MapPermission::R | MapPermission::W, ), None, ); println!("mapping physical memory"); memory_set.push( MapArea::new( (ekernel as usize).into(), MEMORY_END.into(), MapType::Identical, MapPermission::R | MapPermission::W, ), None, ); for pair in MMIO { memory_set.push( MapArea::new( (*pair).0.into(), ((*pair).0 + (*pair).1).into(), MapType::Identical, MapPermission::R | MapPermission::W, ), None, ); } memory_set }
把内核各个数据段用恒等映射对应起来，只是没有映射内核栈，因为内核栈一个应用一个，在映射应用的时候映射。最后一部分是映射 MMIO 的地址，会在编写驱动的时候用上。
建立应用地址空间
pub fn from_elf(elf_data: &[u8]) -> (Self, usize, usize) { let mut memory_set = Self::new_bare(); // map trampoline memory_set.map_trampoline(); // map program headers of elf, with U flag let elf = xmas_elf::ElfFile::new(elf_data).unwrap(); let elf_header = elf.header; let magic = elf_header.pt1.magic; assert_eq!(magic, [0x7f, 0x45, 0x4c, 0x46], "invalid elf!"); let ph_count = elf_header.pt2.ph_count(); let mut max_end_vpn = VirtPageNum(0); for i in 0..ph_count { let ph = elf.program_header(i).unwrap(); if ph.get_type().unwrap() == xmas_elf::program::Type::Load { let start_va: VirtAddr = (ph.virtual_addr() as usize).into(); let end_va: VirtAddr = ((ph.virtual_addr() + ph.mem_size()) as usize).into(); let mut map_perm = MapPermission::U; let ph_flags = ph.flags(); if ph_flags.is_read() { map_perm |= MapPermission::R; } if ph_flags.is_write() { map_perm |= MapPermission::W; } if ph_flags.is_execute() { map_perm |= MapPermission::X; } let map_area = MapArea::new(start_va, end_va, MapType::Framed, map_perm); max_end_vpn = map_area.vpn_range.get_end(); memory_set.push( map_area, Some(&elf.input[ph.offset() as usize..(ph.offset() + ph.file_size()) as usize]), ); } } // map user stack with U flags let max_end_va: VirtAddr = max_end_vpn.into(); let mut user_stack_bottom: usize = max_end_va.into(); // guard page user_stack_bottom += PAGE_SIZE; let user_stack_top = user_stack_bottom + USER_STACK_SIZE; memory_set.push( MapArea::new( user_stack_bottom.into(), user_stack_top.into(), MapType::Framed, MapPermission::R | MapPermission::W | MapPermission::U, ), None, ); // map TrapContext memory_set.push( MapArea::new( TRAP_CONTEXT.into(), TRAMPOLINE.into(), MapType::Framed, MapPermission::R | MapPermission::W, ), None, ); ( memory_set, user_stack_top, elf.header.pt2.entry_point() as usize, ) }
- 解析 elf ，根据 elf 映射应用的各个数据段，
- 映射用户栈
- 映射 TrapContext
Trap
再满足 1 ，TrapContext 在应用地址空间的跳板后面，在汇编里保存寄存器到 TrapContext 前面介绍过。
跳板
跳板是干嘛的？其实 trap_handler 就保存在其中，它的权限也没有 U ，应用是不能访问的。
fn map_trampoline(&mut self) { self.page_table.map( VirtAddr::from(TRAMPOLINE).into(), PhysAddr::from(strampoline as usize).into(), PTEFlags::R | PTEFlags::X, ); }
跳板在内核和应用中都有，且虚拟地址相同，保证在 trap 的时候切换地址空间前后都能访问到 trap_handler ，也就是相同虚拟地址映射到相同的物理地址。注意，map_trampoline 没有使用 MapArea::new ，隐含是恒等映射，不需要分配物理内存，只要在 trap.asm 中指定 .section .text.trampoline 就可以，会把 trap.asm 的数据放在跳板中。
改造系统调用--字符输出
因为打印的数据结构在应用地址空间，而 trap 执行在内核地址空间。用应用地址空间的 token 通过查表的方式获取要打印的数据结构。
use crate::{mmu::translated_byte_buffer, task::current_user_token}; const FD_STDOUT: usize = 1; pub fn sys_write(fd: usize, buf: *const u8, len: usize) -> isize { match fd { FD_STDOUT => { // 改为使用虚拟内存 let buffers = translated_byte_buffer(current_user_token(), buf, len); for buffer in buffers { print!("{}", core::str::from_utf8(buffer).unwrap()); } len as isize } _ => { panic!("Unsupported fd in sys_write!"); } } }
具体代码请参考 https://github.com/buhe/bugu/tree/6