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在 1940 年出现了两级存储系统
- 主存：磁芯；辅助：磁鼓
提出虚拟内存Virtual memory技术概念
- 德国的柏林工业大学博士生 Fritz-Rudolf Güntsch
1959 年的Atlas Supervisor 操作系统
- 英国曼彻斯特大学的 Tom Kilburn 教授团队展示了 Atlas 计算机和 Atlas Supervisor 操作系统
- 创造出分页（paging）技术和虚拟内存技术（virtual memory，当时称为 one-level storage system）

提纲

实验目标和步骤
系统架构
用户视角的地址空间
内核管理地址空间
实现ASOS

1.1 实验目标

1.2 实践步骤

实践步骤

修改APP的链接脚本(定制起始地址)
加载&执行应用
切换任务和任务的地址空间

编译步骤

git clone https://github.com/rcore-os/rCore-Tutorial-v3.git
cd rCore-Tutorial-v3
git checkout ch4
cd os
make run

输出结果

Into Test load_fault, we will insert an invalid load operation...
Kernel should kill this application!
[kernel] PageFault in application, bad addr = 0x0, bad instruction = 0x1009c, kernel killed it.

store_fault APP running...

Into Test store_fault, we will insert an invalid store operation...
Kernel should kill this application!
[kernel] PageFault in application, bad addr = 0x0, bad instruction = 0x1009c, kernel killed it.
power_3 [130000/300000]

测试应用

其中包含两个应用程序04load_fault, 05store_fault

// usr/src/bin/04load_fault.rs
......
    unsafe {
        let _i=read_volatile(null_mut::<u8>());
    }

// usr/src/bin/05store_fault.rs
......
    unsafe {
       null_mut::<u8>().write_volatile(1);
    }

提纲

实验目标和步骤

2. 系统架构

用户视角的地址空间
内核管理地址空间
实现ASOS

2.1 代码结构

2.2 RISC-V SV39页机制

软件架构

简化应用
建立Paging
内核页表
应用页表
信息传递
跳板机制
扩展TCB
扩展异常

bg right:65% 100%

构建应用

└── user
    ├── build.py(移除：给应用设定唯一起始地址的脚本)
    └── src（用户态库和应用程序）
        ├── bin（各个应用程序）
        ├── ...
        └── linker.ld(修改：将所有应用放在各自地址空间中固定的位置)

地址空间

├── os
    └── src
         ├── config.rs(修改：新增一些内存管理的相关配置)
         ├── linker-k210.ld(修改：将跳板页引入内存布局)
         ├── linker-qemu.ld(修改：将跳板页引入内存布局)
         ├── loader.rs(修改：仅保留获取应用数量和数据的功能)
         ├── main.rs(修改)

mm子模块

├── os
    └── src
         ├── mm(新增：内存管理的 mm 子模块)
             ├──address.rs(物理/虚拟 地址/页号的 Rust 抽象)
             ├──frame_allocator.rs(物理页帧分配器)
             ├──heap_allocator.rs(内核动态内存分配器)
             ├──memory_set.rs(引入地址空间 MemorySet 及逻辑段 MemoryArea 等)
             ├──mod.rs(定义了 mm 模块初始化方法 init)
             └──page_table.rs(多级页表抽象 PageTable 以及其他内容)

改进OS

├── os
    └── src
         ├── syscall
             ├──fs.rs(修改：基于地址空间的 sys_write 实现)
         ├── task
             ├──context.rs(修改：构造一个跳转到不同位置的初始任务上下文)
             ├──mod.rs(修改)
             └──task.rs(修改)
         └── trap
             ├── context.rs(修改：在 Trap 上下文中加入了更多内容)
             ├── mod.rs(修改：基于地址空间修改了 Trap 机制)
             └── trap.S(修改：基于地址空间修改了 Trap 上下文保存与恢复汇编代码)

提纲

实验目标和步骤
系统架构
用户视角的地址空间
内核管理地址空间
实现ASOS

2.1 代码结构

2.2 RISC-V SV39页机制

RISC-V 基于SATP的虚拟内存系统

虚拟地址将内存划分为固定大小的页来进行地址转换和内容保护。
页表基址寄存器satp：内核态控制状态寄存器控制了分页。satp 有三个域：
- MODE 域：开启分页并选择页表级数
- ASID（Address Space Identifier，地址空间标识符）域：可选的，用来降低上下文切换的开销
- PPN 字段：保存了根页表的物理地址

页表基址寄存器satp

satp CSR:(S-Mode) Supervisor Address Translation and Protection，监管者地址转换和保护
控制硬件分页机制

bg right:55% 95%

初始化&使能页机制

M模式的RustSBI在第一次进入S-Mode之前会把0写入satp，以禁用分页
然后S-Mode的OS在初始化页表后会再次写satp
- 使能页表:MODE=8
- 设定页表起始物理地址页号 PPN

bg right:55% 90%

页表项属性

V：有效位
R,W,X：读/写/执行位
U：U-Mode能否访问
G：是否对所有地址有效
A：Access，访问位
D：Dirty，修改位
RSW：保留位
PPN：物理页号

bg right:55% 100%

提纲

实验目标和步骤
系统架构

3. 用户视角的地址空间

内核管理地址空间
实现ASOS

3.1 ASOS地址空间

3.2 跳板页 3.3 应用的地址空间

应用程序的地址空间

地址空间：一系列有关联和不一定连续的逻辑段
由若干逻辑段组成的虚拟/物理内存空间与一个运行的程序（目前把一个运行的程序称为任务和进程）绑定
进程对代码和数据的直接访问范围限制在它关联的地址空间之内

应用地址空间和内核地址空间

应用地址空间
- 编译器给应用生成的地址空间，内核通过页表来约束应用地址空间，应用不能访问它之外的地址空间
内核地址空间
- 编译器给内核生成的地址空间，内核通过页表调整应用/内核地址空间，并管理整个物理内存

提纲

实验目标和步骤
系统架构
用户视角的地址空间
内核管理地址空间
实现ASOS

3.1 ASOS地址空间

3.2 跳板页

3.3 应用的地址空间

跳板页

应用与内核的跳板Trampoline页的虚拟地址是相同的，且映射到同一物理页
放置的是trap.S中的执行代码

bg right:65% 100%

基于跳板页的平滑过渡

特权级过渡：产生异常/中断时，CPU会跳到跳板页的_all_traps入口
地址空间过渡：在切换页表后，可平滑地继续执行内核代码

bg right:55% 100%

陷入(Trap)上下文页

跳板页的_all_traps汇编函数会保存相关寄存器到陷入上下文
跳板页的_restore汇编函数会从陷入上下文中恢复相关寄存器

bg right:55% 100%

回顾：没有页机制的OS

陷入上下文保存在内核栈顶，sscratch保存应用的内核栈

只通过sscratch寄存器中转用户/内核的栈指针
当一个应用 Trap 到内核时，sscratch 已指向该应用的内核栈栈顶，用一条指令即可从用户栈切换到内核栈，然后直接将 Trap 上下文压入内核栈栈顶。

对比使能页机制的OS

如何只通过sscratch寄存器中转栈指针和页表基址？

能用之前的方法吗？
方案1：通过sscratch寄存器中转用户/内核的栈指针
方案2：通过sscratch寄存器中转用户栈指针/页表基址

bg right:30% 100%

方案1：通过`sscratch`寄存器中转用户/内核的栈指针

通过sscratch寄存器中转用户/内核的栈指针
- 当前sp指针指向的是内核地址空间
- 而此时页表还是用的用户态页表
导致在内核态产生异常，系统崩溃

bg right:30% 100%

方案2：通过`sscratch`寄存器中转用户栈指针/页表基址

通过sscratch寄存器中转用户栈指针/页表基址
当前用的是内核态页表，访问内核地址空间
接下来需要取得应用的内核栈指针来把用户态当前的通用寄存器保存到陷入上下文中
获取内核栈指针需要修改（破坏）通用寄存器才能完成，无法正确保存

bg right:25% 100%

方案3：`sscratch` - 应用的陷入上下文地址

通过sscratch进行应用的用户态栈指针<->陷入上下文地址切换（中转）;
保存用户态寄存器到陷入上下文;
读出陷入上下文中的页表基址/应用的内核栈指针/trap_handler地址；
切换页表，跳转trap_handler

bg right:42% 100%

提纲

实验目标和步骤
系统架构
用户视角的地址空间
内核管理地址空间
实现ASOS

3.1 ASOS地址空间 3.2 跳板页

3.3 应用的地址空间

应用程序设计

应用程序
- 内存布局有调整
没有更新
- 项目结构
- 应用代码
- 函数调用
- 系统调用

bg right:60% 100%

应用程序的内存布局

由于每个应用被加载到的位置都相同，所以它们共用一个链接脚本 linker.ld
- BASE_ADDRESS = 0x10000

bg right:60% 100%

提纲

实验目标和步骤
系统架构
用户视角的地址空间

4. 内核管理地址空间

实现ASOS

4.1 管理物理内存

4.2 建立内核/应用页表 4.3 管理地址空间

从内核角度看地址空间

理解地址空间
理解陷入上下文页

bg right:55% 100%

从内核角度看地址空间

内核理解地址空间
- 建立&感知虚拟/物理地址
- 在内核/应用虚拟地址空间之间穿越
应用的页表
- 代表了内核管理下的现实情况下的应用地址空间
- 让CPU"能看"到的应用地址空间

bg right:43% 100%

页表机制

管理物理内存
建立内核/应用页表
使能页机制

bg right:62% 100%

物理内存

物理内存(RAM 设定位8MB)
- 物理内存起始地址：0x80000000
- 可用物理内存起始地址： os/src/linker.ld 中ekernel地址
- 物理内存结束地址：0x80800000
物理内存中有啥？

物理内存

物理内存(RAM 设定位8MB)，包括：
- 应用/内核的数据/代码/栈/堆
- 空闲的空间
特别是各种管理类数据
- 任务控制块
  - MemorySet
    - 应用/内核的多级页表等
  - 应用核心栈
  - 应用的TrapContext页 ....

管理物理内存

物理内存上已经有一部分用于放置内核的代码和数据
需要将剩下的空闲内存以单个物理页帧为单位管理起来
- 当需要存应用数据或扩展应用的多级页表时分配空闲的物理页帧
- 在应用出错或退出的时候回收应用占的所有物理页帧

管理物理内存

采用连续内存的动态分配策略
分配/回收物理页帧的接口
- 提供alloc()和dealloc()函数接口

bg right:49% 100%

提纲

实验目标和步骤
系统架构
用户视角的地址空间
内核管理地址空间
实现ASOS

4.1 管理物理内存

4.2 建立内核/应用页表

4.3 管理地址空间

SV39多级页表

SV39 多级页表是以页大小的节点为单位进行管理。每个节点恰好存储在一个物理页帧中，它的位置可以用一个物理页号来表示
satp CSR

建立内核/应用页表

页表起始物理地址
页表内容:虚地址<->物理地址映射
- 恒等映射 Identical Mapping
- 随机映射 Framed Mapping

VPN: Virtual Page Number PPN: Physical Page Number satp: 包含页表起始处PPN的CSR bg right:40% 100%

建立和拆除虚实地址映射关系

在多级页表中找到一个虚拟地址对应的页表项。
通过修改页表项的内容即可完成键值对的插入和删除，从而实现映射关系的建立和拆除。

使能页机制

设置satp= root_ppn

核心数据结构的包含关系

TCB-->MemorySet-->PageTable-->root_ppn
任务控制块  --------------->任务的页表基址

bg right:50% 100% bg right 100%

提纲

实验目标和步骤
系统架构
用户视角的地址空间
内核管理地址空间
实现ASOS

4.1 管理物理内存 4.2 建立内核/应用页表

4.3 管理地址空间

应用地址空间

w:950

逻辑段

逻辑段：内核/应用会用到的一段连续地址的虚拟内存
内核/应用运行的虚拟地址空间：由多个逻辑段组成

理想: 丰满 v.s. 现实: 骨感

应用的页表
- 现实情况下的应用地址空间
应用的逻辑段
- 理想情况下的应用地址空间

bg right:48% 100%

逻辑段的数据结构`MapArea`

逻辑段：一段连续地址的虚拟内存

#![allow(unused)]
fn main() {
// os/src/mm/memory_set.rs

pub struct MapArea {
    vpn_range: VPNRange, //一段虚拟页号的连续区间
    data_frames: BTreeMap<VirtPageNum, FrameTracker>,//VPN<-->PPN映射关系
    map_type: MapType,  //映射类型
    map_perm: MapPermission, //可读/可写/可执行属性
}
}

data_frames 是一个保存了该逻辑段内的每个虚拟页面和它被映射到的物理页面 FrameTracker 的一个键值对容器

地址空间的数据结构 `MemorySet`

地址空间：一系列有关联的不一定连续的逻辑段

#![allow(unused)]
fn main() {
// os/src/mm/memory_set.rs

pub struct MemorySet {
    page_table: PageTable, //页表
    areas: Vec<MapArea>, //一系列有关联的不一定连续的逻辑段
}
}

地址空间的数据结构字段
- 多级页表：基于数据结构PageTable的变量page_table
- 逻辑段集合：基于数据结构MapArea 的向量 areas

内核管理任务地址空间的时机

操作系统管理的地址空间 MemorySet=PageTable+MapAreas
- 创建任务：创建任务的 MemorySet
- 清除任务：回收任务的 MemorySet所占内存
- 调整应用的内存空间大小：修改任务的MemorySet
- 用户态切换到内核态：切换任务的MemorySet为内核的MemorySet
- 内核态切换到用户态：切换内核的MemorySet为任务的MemorySet

新建任务地址空间`MemorySet`的过程

创建页表
创建逻辑段向量

bg right:64% 100%

在地址空间插入/删除一个逻辑段

更新页表中的相应页表项
更新逻辑段对应的物理页帧内容

提纲

实验目标和步骤
系统架构
用户视角的地址空间
内核管理地址空间

5. 实现ASOS

5.1 启动分页模式

5.2 实现跳板机制 5.3 加载和执行应用程序 5.4 改进 Trap 处理的实现 5.5 改进 sys_write 的实现

对分时共享多任务操作系统的扩展

创建内核页表，使能分页机制，建立内核的虚拟地址空间；
扩展Trap上下文，在保存与恢复Trap上下文的过程中切换页表（即切换虚拟地址空间）；
建立用于内核地址空间与应用地址空间相互切换所需的跳板空间；
扩展任务控制块包括虚拟内存相关信息，并在加载执行创建基于某应用的任务时，建立应用的虚拟地址空间；
改进Trap处理过程和sys_write等系统调用的实现以支持分离的应用地址空间和内核地址空间。

启动分页模式

创建内核地址空间
内存管理子系统的初始化

bg right:63% 100%

创建内核地址空间的全局实例

内核地址空间KERNEL_SPACE

#![allow(unused)]
fn main() {
pub static ref KERNEL_SPACE: MemorySet = MemorySet::new_kernel()
}

内存管理子系统的初始化

把空闲物理内存按照堆(heap)进行动态连续内存管理初始化
基于堆实现物理页帧分配管理初始化
设置satp，启动分页机制，激活内核地址空间KERNEL_SPACE，

#![allow(unused)]
fn main() {
// os/src/mm/mod.rs
pub fn init() {
    heap_allocator::init_heap();
    frame_allocator::init_frame_allocator();
    KERNEL_SPACE.exclusive_access().activate();
}
}

提纲

实验目标和步骤
系统架构
用户视角的地址空间
内核管理地址空间
实现ASOS

5.1 启动分页模式

5.2 实现跳板机制

5.3 加载和执行应用程序 5.4 改进 Trap 处理的实现 5.5 改进 sys_write 的实现

实现跳板机制的动机

在启动分页机制后，让处于不同地址空间的应用和内核能够进行正常的特权级切换操作和数据交互。

bg right:56% 100%

跳板机制的思路

内核和应用的虚拟地址空间中最高的虚拟页面是一个跳板(trampoline)页
在特权级切换后，要迅速完成地址空间切换，内核栈切换，并平滑地继续执行内核代码

bg right:54% 100%

跳板机制的思路

应用地址空间的次高虚拟页面被设置为存放应用的 Trap 上下文

bg right:54% 100%

跳板机制的思路

Q:为何不直接把 Trap 上下文仍放到应用的内核栈中呢？

bg right:54% 100%

跳板机制的思路

Q:为何不直接把Trap上下文仍放到应用的内核栈中呢？
- 访问内核栈中的Trap上下文地址，需要先切换页表；
- 页表信息放在 Trap上下文中，形成了相互依赖。

bg right:54% 100%

建立跳板页面

将 trap.S 中的整段汇编代码放置在 .text.trampoline 段，并在调整内存布局的时候将它对齐到代码段的一个页面中

# os/src/linker.ld
    stext = .;
        .text : {
        *(.text.entry)
        . = ALIGN(4K);
        strampoline = .;
        *(.text.trampoline);
        . = ALIGN(4K);
        *(.text .text.*)
    }

扩展Trap 上下文数据结构

#![allow(unused)]
fn main() {
 // os/src/trap/context.rs
 pub struct TrapContext {
     pub x: [usize; 32],
     pub sstatus: Sstatus,
     pub sepc: usize,
     pub kernel_satp: usize, //内核页表的起始物理地址
     pub kernel_sp: usize,   //当前应用内核栈栈顶的虚拟地址
     pub trap_handler: usize,//内核中 trap handler 入口点的虚拟地址
}
}

切换Traps上下文

保存Trap上下文
- 把用户栈指针切换到用户地址空间中的TrapContext
- 在TrapContext保存通用寄存器、sstatus、sepc
- 在TrapContext读出kernel_satp、kernel_sp、trap_handler
- 切换内核地址空间，切换到内核栈
- 跳转到trap_handler继续执行
恢复Trap上下文
- 上述过程的逆过程

跳转到trap_handler继续执行

Q:为何用jr t1 而不是 call trap_handler完成跳转？

保存Trap上下文

Q:为何用jr t1 而不是 call trap_handler完成跳转？

在内存布局中，这条 .text.trampoline 段中的跳转指令和 trap_handler 都在代码段之内，汇编器（Assembler）和链接器（Linker）会根据 linker-qemu.ld 的地址布局描述，设定跳转指令的地址，并计算二者地址偏移量，让跳转指令的实际效果为当前 pc 自增这个偏移量。
这条跳转指令在被执行的时候，它的虚拟地址被操作系统内核设置在地址空间中的最高页面之内，所以加上这个偏移量并不能正确的得到 trap_handler 的入口地址。

提纲

实验目标和步骤
系统架构
用户视角的地址空间
内核管理地址空间
实现ASOS

5.1 启动分页模式 5.2 实现跳板机制

5.3 加载和执行应用程序

5.4 改进 Trap 处理的实现 5.5 改进 sys_write 的实现

加载和执行应用程序

扩展任务控制块
更新任务管理

bg right:61% 100%

扩展任务控制块TCB

应用的地址空间 memory_set
Trap 上下文所在物理页帧的物理页号trap_cx_ppn
应用数据大小base_size

// os/src/task/task.rs
pub struct TaskControlBlock {
    pub task_cx: TaskContext,
    pub task_status: TaskStatus,
    pub memory_set: MemorySet,
    pub trap_cx_ppn: PhysPageNum,
    pub base_size: usize,
}

更新任务管理

创建任务控制块TCB
1. 根据应用的ELF执行文件内容形成应用的虚拟地址空间
2. 建立应用转换到内核态后用的内核栈
3. 在内核地址空间建立应用的TCB
4. 在用户地址空间构造出一个Trap上下文TrapContext

提纲

实验目标和步骤
系统架构
用户视角的地址空间
内核管理地址空间
实现ASOS

5.1 启动分页模式 5.2 实现跳板机制 5.3 加载和执行应用程序

5.4 改进 Trap 处理的实现

5.5 改进 sys_write 的实现

改进 Trap 处理的实现

由于应用的 Trap 上下文不在内核地址空间，因此调用 current_trap_cx 来获取当前应用的 Trap 上下文的可变引用而不是像之前那样作为参数传入 trap_handler 。至于 Trap 处理的过程则没有发生什么变化。

为了简单起见，弱化了 S态 –> S态的 Trap 处理过程：直接 panic 。注：ch9会支持 S态 –> S态的 Trap 处理过程

改进 Trap 处理的实现

#![allow(unused)]
fn main() {
let restore_va = __restore as usize - __alltraps as usize + TRAMPOLINE;
unsafe {
  asm!(
     "fence.i",
     "jr {restore_va}",
  )
}
}

提纲

实验目标和步骤
系统架构
用户视角的地址空间
内核管理地址空间
实现ASOS

5.1 启动分页模式 5.2 实现跳板机制 5.3 加载和执行应用程序 5.4 改进 Trap 处理的实现

5.5 改进 sys_write 的实现

改进 sys_write 的实现

由于内核和应用地址空间的隔离， sys_write 不再能够直接访问位于应用空间中的数据
需要手动查页表才能知道那些数据被放置在哪些物理页帧上并进行访问。

访问应用空间数据的辅助函数

页表模块 page_table 提供了将应用地址空间中一个缓冲区转化为在内核空间中能够直接访问的形式的辅助函数：

#![allow(unused)]
fn main() {
// os/src/mm/page_table.rs
pub fn translated_byte_buffer()
}

查找应用的页表，根据应用虚地址找到物理地址
查找内核的页表，根据物理地址找到内核虚地址
基于内核虚地址完成对应用数据的读写

小结

地址空间
连续内存分配
段机制
页表机制
页访问异常
能写头甲龙OS

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