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第十三讲设备管理

第三节支持device的OS（DOS）

向勇陈渝李国良任炬

2025年秋季

课程幻灯片列表

内容

进化目标
历史背景
相关硬件
总体思路
实践步骤
软件架构
程序设计

bg right:65% 100%

进化目标 vs 以往目标

SMOS：在多线程中支持对共享资源的同步互斥访
TCOS：支持线程和协程
IPC OS：进程间交互
Filesystem OS：支持数据持久保存
Process OS: 增强进程管理和资源管理
Address Space OS: 隔离APP访问的内存地址空间
multiprog & time-sharing OS: 让APP共享CPU资源
BatchOS：让APP与OS隔离，加强系统安全，提高执行效率
LibOS: 让APP与HW隔离，简化应用访问硬件的难度和复杂性

进化目标 vs 以往目标

DOS需要支持对多种外设的高效访问

在内核中响应外设中断
在内核中保证对全局变量的互斥访问
基于中断机制的串口驱动
基于中断机制的Virtio-Block驱动
其它外设驱动

bg right:40% 100%

实践：DOS

同学的进化目标

了解设备与CPU的交互关系
理解如何在内核中响应中断
理解驱动的基本管理过程
理解驱动的基本设计思路
理解驱动与内核其它部分的交互
会写支持多种外设的OS

实践：DOS

进化目标
历史背景
相关硬件
总体思路
实践步骤
软件架构
程序设计

bg right:65% 100%

历史背景

UNIX诞生是从磁盘驱动程序开始的

贝尔实验室的Ken Tompson先在一台闲置的PDP-7计算机的磁盘驱动器写了一个包含磁盘调度算法的磁盘驱动程序，希望提高磁盘I/O读写速度。为了测试磁盘访问性能，他花了三周时间写了一个操作系统，这就是Unix的诞生。

bg right:30% 80%

历史背景

写磁盘驱动程序包括如下一些操作：

数据结构：包括设备信息、状态、操作标识等
初始化：即配置设备，分配I/O所需内存，完成设备初始化
中断响应：如果设备产生中断，响应中断并完成I/O操作后续工作
设备操作：根据内核模块（如文件系统）的要求（如读/写磁盘数据），给I/O设备发出命令
内部交互：与操作系统上层模块或应用进行交互，完成上层模块或应用的要求（如接受文件系统下达的I/O请求，上传读出的磁盘数据）

实践：DOS

进化目标
历史背景
相关硬件
总体思路
实践步骤
软件架构
程序设计

实践：DOS

进化目标
历史背景
相关硬件
总体思路
- 外设中断
实践步骤
软件架构
程序设计

实践：DOS -- 总体思路

为何支持外设中断
- 提高系统的整体执行效率
为何在内核态响应外设中断
- 提高OS对外设IO请求的响应速度
潜在的问题
- 内核态能响应中断后，不能保证对全局变量的互斥访问
- 原因：中断会打断当前执行，并切换到另一控制流访问全局变量
解决方案
- 在访问全局变量起始前屏蔽中断，结束后使能中断

实践：DOS

进化目标
历史背景
相关硬件
实践步骤
软件架构
程序设计

实践：DOS -- 实践步骤

git clone https://github.com/rcore-os/rCore-Tutorial-v3.git
cd rCore-Tutorial-v3
git checkout ch9

应用程序没有改变，但在串口输入输出、块设备读写的IO操作上是基于中断方式实现的。

实践：DOS

进化目标
历史背景
相关硬件
实践步骤
软件架构
程序设计

实践：DOS -- 软件架构

内核的主要修改（ os/src ）

├── boards
│   └── qemu.rs  // UART、VIRTIO、PLIC的MMIO地址
├── console.rs  //基于UART的STDIO
├── drivers
│   ├── block
│   │   └── virtio_blk.rs //基于中断/DMA方式的VIRTIO-BLK驱动
│   ├── chardev
│   │   └── ns16550a.rs //基于中断方式的串口驱动
│   └── plic.rs //PLIC驱动
├── main.rs  //外设中断相关初始化
└── trap
    ├── mod.rs //支持处理外设中断
    └── trap.S //支持内核态响应外设中断

实践：DOS

进化目标
历史背景
相关硬件
实践步骤
软件架构
程序设计

程序设计

设备直接相关（提供）

外设初始化操作
外设中断处理操作
外设I/O读写（或配置）操作

OS交互相关（需求）

内存分配/映射服务
中断/调度/同步互斥/文件系统等服务

系统设备管理

了解各个设备的基本信息
- 控制寄存器地址范围
- 设备中断号
对PLIC进行配置
- 使能中断
- 设置中断优先级

系统设备管理

了解各个设备的基本信息(控制寄存器基址，中断号)

const VIRT_PLIC: usize = 0xC00_0000;   // PLIC 
const VIRT_UART: usize = 0x1000_0000;  // UART
const VIRTIO0: usize = 0x10008000;     // VIRTIO_BLOCK
const VIRTIO5: usize = 0x10005000;     // VIRTIO_KEYBOARD
const VIRTIO6: usize = 0x10006000;     // VIRTIO_MOUSE
const VIRTIO7: usize = 0x10007000;     // VIRTIO_GPU
// 在总中断处理例程中对不同外设的中断进行响应
match intr_src_id {
   5 => KEYBOARD_DEVICE.handle_irq(),
   6 => MOUSE_DEVICE.handle_irq(),
   8 => BLOCK_DEVICE.handle_irq(),
   10 => UART.handle_irq(),

系统设备管理

系统设备管理初始化

配置PLIC:
- 设置接收中断优先级的下限
- 使能S-Mode下的响应外设中断号：5/6/8/10
- 设置外设中断号的优先级
配置CPU
- 设置 sie CSR寄存器，使能响应外部中断

os/src/drivers/plic.rs 和 os/src/boards/qemu.rs::devices_init()

UART设备驱动

UART设备驱动的核心数据结构

pub struct NS16550a<const BASE_ADDR: usize> {
    inner: UPIntrFreeCell<NS16550aInner>,
    condvar: Condvar, //用于挂起/唤醒读字符的经常
}
struct NS16550aInner {
    ns16550a: NS16550aRaw,
    read_buffer: VecDeque<u8>, //用于缓存读取的字符
}
pub struct NS16550aRaw {
    base_addr: usize, //控制寄存器基址
}

UART设备驱动

UART初始化操作
UART中断处理操作
UART I/O读写（或配置）操作

字符类设备需要实现的接口

pub trait CharDevice {
    fn init(&self);
    fn read(&self) -> u8;
    fn write(&self, ch: u8);
    fn handle_irq(&self);
}

UART设备驱动

UART初始化操作

impl<const BASE_ADDR: usize> CharDevice for NS16550a<BASE_ADDR> {
    fn init(&self) {
        let mut inner = self.inner.exclusive_access(); //独占访问
        inner.ns16550a.init(); //调用ns16550a的UART初始化函数
        drop(inner);
    }

UART设备驱动

UART中断处理操作

fn handle_irq(&self) {
   let mut count = 0;
   self.inner.exclusive_session(|inner| {
      //调用ns16550a中读字符函数
      while let Some(ch) = inner.ns16550a.read() { 
            count += 1;
            inner.read_buffer.push_back(ch);
   ...
   if count > 0 {
      // 唤醒等待读取字符的进程
      self.condvar.signal();
   ...

UART设备驱动

UART I/O读写（或配置）操作

fn read(&self) -> u8 {
   loop {
      let mut inner = self.inner.exclusive_access();
      if let Some(ch) = inner.read_buffer.pop_front() {
            return ch;
      } else {
            let task_cx_ptr = self.condvar.wait_no_sched();
            drop(inner);
            schedule(task_cx_ptr);
    ...

UART设备驱动

UART I/O读写（或配置）操作

    fn write(&self, ch: u8) {
        let mut inner = self.inner.exclusive_access();
        inner.ns16550a.write(ch);
    }

virtio_blk块设备驱动

virtio_blk设备驱动的核心数据结构

pub struct VirtIOBlock {
    virtio_blk: UPIntrFreeCell<VirtIOBlk<'static, VirtioHal>>,
    condvars: BTreeMap<u16, Condvar>, //<虚拟队列号，条件变量>映射
}

virtio_blk块设备驱动

virtio_blk初始化操作
virtio_blk中断处理操作
virtio_blk I/O读写（或配置）操作

存储类设备要实现的接口

pub trait BlockDevice: Send + Sync + Any {
    fn read_block(&self, block_id: usize, buf: &mut [u8]);
    fn write_block(&self, block_id: usize, buf: &[u8]);
    fn handle_irq(&self);
}

virtio_blk块设备驱动

virtio_blk初始化操作

pub fn new() -> Self {
   let virtio_blk = unsafe {
      UPIntrFreeCell::new(
            // 初始化vritio_drivers中的VirtIOBlk块设备 
            VirtIOBlk::<VirtioHal>::new(&mut *(VIRTIO0 as *mut VirtIOHeader)).unwrap(),)
   let mut condvars = BTreeMap::new();
   let channels = virtio_blk.exclusive_access().virt_queue_size();
   // 建立虚拟队列号与条件变量的映射
   for i in 0..channels {  
      let condvar = Condvar::new();
      condvars.insert(i, condvar);
   }
   ...

virtio_blk块设备驱动

virtio_blk中断处理操作

fn handle_irq(&self) {
   self.virtio_blk.exclusive_session(|blk| {
      //获得块访问完成的虚拟队列号
      while let Ok(token) = blk.pop_used() {
            // 根据队列号对应的信号量，唤醒等待块访问结束的挂起进程
            self.condvars.get(&token).unwrap().signal();
      }
   ...

virtio_blk块设备驱动

virtio_blk I/O读写（或配置）操作

fn read_block(&self, block_id: usize, buf: &mut [u8]) {
   ...
      let mut resp = BlkResp::default();// 生成一个块访问命令
      let task_cx_ptr = self.virtio_blk.exclusive_session(|blk| {
            // 调用virtio_drivers库中VirtIOBlk的read_block_nb函数，发出读块命令
            let token = unsafe { blk.read_block_nb(block_id, buf, &mut resp).unwrap() };
            // 通过条件变量挂起当前进程，等待块访问结束
            self.condvars.get(&token).unwrap().wait_no_sched()
      });
      // 唤醒等待块访问结束的进程
      schedule(task_cx_ptr);
   ...
}

virtio_blk块设备驱动

virtio_blk I/O读写（或配置）操作

fn write_block(&self, block_id: usize, buf: &[u8]) {
   ...
      let mut resp = BlkResp::default(); // 生成一个块访问命令
      let task_cx_ptr = self.virtio_blk.exclusive_session(|blk| {
            // 调用virtio_drivers库中VirtIOBlk的read_block_nb函数，发出写块命令
            let token = unsafe { blk.write_block_nb(block_id, buf, &mut resp).unwrap() };
            // 通过条件变量挂起当前进程，等待块访问结束
            self.condvars.get(&token).unwrap().wait_no_sched()
      });
      // 唤醒等待块访问结束的进程
      schedule(task_cx_ptr);
   ...

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