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）：
$ 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：
$ 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：
[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¶
── 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
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Language files blank comment code
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Rust 14 62 21 435
Assembly 3 9 16 106
make 1 12 4 36
TOML 1 2 1 9
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SUM: 19 85 42 586
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