引言 ================================ 本章导读 --------------------------------- **批处理系统** (Batch System) 出现于计算资源匮乏的年代，其核心思想是： 将多个程序打包到一起输入计算机；当一个程序运行结束后，计算机会 *自动* 执行下一个程序。 应用程序难免会出错，如果一个程序的错误导致整个操作系统都无法运行，那就太糟糕了。 *保护* 操作系统不受出错程序破坏的机制被称为 **特权级** (Privilege) 机制， 它实现了用户态和内核态的隔离。 本章在上一章的基础上，让我们的 OS 内核能以批处理的形式一次运行多个应用程序，同时利用特权级机制， 令 OS 不因出错的用户态程序而崩溃。 本章首先为批处理操作系统设计用户程序，再阐述如何将这些应用程序链接到内核中，最后介绍如何利用特权级机制处理 Trap. 实践体验 --------------------------- 本章我们引入了用户程序。为了将内核与应用解耦，我们将二者分成了两个仓库，分别是存放内核程序的 ``rCore-Tutorial-Code-20xxx`` （下称代码仓库，最后几位 x 表示学期）与存放用户程序的 ``rCore-Tutorial-Test-20xxx`` （下称测例仓库）。 你首先需要进入代码仓库文件夹并 clone 用户程序仓库（如果已经执行过该步骤则不需要再重复执行）： .. code-block:: console $ git clone https://github.com/LearningOS/rCore-Tutorial-Code-2023A.git $ cd rCore-Tutorial-Code-2023A $ git checkout ch2 $ git clone https://github.com/LearningOS/rCore-Tutorial-Test-2023A.git user 上面的指令会将测例仓库克隆到代码仓库下并命名为 ``user`` ，注意 ``/user`` 在代码仓库的 ``.gitignore`` 文件中，因此不会出现 ``.git`` 文件夹嵌套的问题，并且你在代码仓库进行 checkout 操作时也不会影响测例仓库的内容。 在 qemu 模拟器上运行本章代码： .. code-block:: console $ cd os $ make run LOG=INFO 批处理系统自动加载并运行了所有的用户程序，尽管某些程序出错了： .. code-block:: [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 : 0x87e00000..0x87e010de [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! [ INFO] [kernel] .data [0x8020b000, 0x80228000) [ WARN] [kernel] boot_stack top=bottom=0x80238000, lower_bound=0x80228000 [ERROR] [kernel] .bss [0x80238000, 0x80239000) [kernel] num_app = 7 [kernel] app_0 [0x8020b048, 0x8020f0f0) [kernel] app_1 [0x8020f0f0, 0x80213198) [kernel] app_2 [0x80213198, 0x80217240) [kernel] app_3 [0x80217240, 0x8021b2e8) [kernel] app_4 [0x8021b2e8, 0x8021f390) [kernel] app_5 [0x8021f390, 0x80223438) [kernel] app_6 [0x80223438, 0x802274e0) [kernel] Loading app_0 [kernel] PageFault in application, kernel killed it. [kernel] Loading app_1 [kernel] IllegalInstruction in application, kernel killed it. [kernel] Loading app_2 [kernel] IllegalInstruction in application, kernel killed it. [kernel] Loading app_3 Hello, world from user mode program! [kernel] Loading app_4 power_3 [10000/200000] power_3 [20000/200000] power_3 [30000/200000] power_3 [40000/200000] power_3 [50000/200000] power_3 [60000/200000] power_3 [70000/200000] power_3 [80000/200000] power_3 [90000/200000] power_3 [100000/200000] power_3 [110000/200000] power_3 [120000/200000] power_3 [130000/200000] power_3 [140000/200000] power_3 [150000/200000] power_3 [160000/200000] power_3 [170000/200000] power_3 [180000/200000] power_3 [190000/200000] power_3 [200000/200000] 3^200000 = 871008973(MOD 998244353) Test power_3 OK! [kernel] Loading app_5 power_5 [10000/140000] power_5 [20000/140000] power_5 [30000/140000] power_5 [40000/140000] power_5 [50000/140000] power_5 [60000/140000] power_5 [70000/140000] power_5 [80000/140000] power_5 [90000/140000] power_5 [100000/140000] power_5 [110000/140000] power_5 [120000/140000] power_5 [130000/140000] power_5 [140000/140000] 5^140000 = 386471875(MOD 998244353) Test power_5 OK! [kernel] Loading app_6 power_7 [10000/160000] power_7 [20000/160000] power_7 [30000/160000] power_7 [40000/160000] power_7 [50000/160000] power_7 [60000/160000] power_7 [70000/160000] power_7 [80000/160000] power_7 [90000/160000] power_7 [100000/160000] power_7 [110000/160000] power_7 [120000/160000] power_7 [130000/160000] power_7 [140000/160000] power_7 [150000/160000] power_7 [160000/160000] 7^160000 = 667897727(MOD 998244353) Test power_7 OK! All applications completed! 本章代码树 ------------------------------------------------- .. code-block:: ── os │   ├── Cargo.toml │   ├── Makefile (修改：构建内核之前先构建应用) │   ├── build.rs (新增：生成 link_app.S 将应用作为一个数据段链接到内核) │   └── src │   ├── batch.rs(新增：实现了一个简单的批处理系统) │   ├── console.rs │   ├── entry.asm │   ├── lang_items.rs │   ├── link_app.S(构建产物，由 os/build.rs 输出) │   ├── linker.ld │   ├── logging.rs │   ├── main.rs(修改：主函数中需要初始化 Trap 处理并加载和执行应用) │   ├── sbi.rs │   ├── sync(新增：包装了RefCell，暂时不用关心) │   │   ├── mod.rs │   │   └── up.rs │   ├── syscall(新增：系统调用子模块 syscall) │   │   ├── fs.rs(包含文件 I/O 相关的 syscall) │   │   ├── mod.rs(提供 syscall 方法根据 syscall ID 进行分发处理) │   │   └── process.rs(包含任务处理相关的 syscall) │   └── trap(新增：Trap 相关子模块 trap) │   ├── context.rs(包含 Trap 上下文 TrapContext) │   ├── mod.rs(包含 Trap 处理入口 trap_handler) │   └── trap.S(包含 Trap 上下文保存与恢复的汇编代码) └── user(新增：应用测例保存在 user 目录下) ├── Cargo.toml ├── Makefile └── src ├── bin(基于用户库 user_lib 开发的应用，每个应用放在一个源文件中) │   ├── ... ├── console.rs ├── lang_items.rs ├── lib.rs(用户库 user_lib) ├── linker.ld(应用的链接脚本) └── syscall.rs(包含 syscall 方法生成实际用于系统调用的汇编指令， 各个具体的 syscall 都是通过 syscall 来实现的) cloc os ------------------------------------------------------------------------------- Language files blank comment code ------------------------------------------------------------------------------- Rust 14 62 21 435 Assembly 3 9 16 106 make 1 12 4 36 TOML 1 2 1 9 ------------------------------------------------------------------------------- SUM: 19 85 42 586 -------------------------------------------------------------------------------