实现批处理操作系统

将应用程序链接到内核

在本章中，我们要把应用程序的二进制镜像文件作为数据段链接到内核里， 内核需要知道应用程序的数量和它们的位置。

在 os/src/main.rs 中能够找到这样一行：

core::arch::global_asm!(include_str!("link_app.S"));

这里我们引入了一段汇编代码 link_app.S ，它是在 make run 构建操作系统时自动生成的，里面的内容大致如下：

 1# os/src/link_app.S
 2
 3    .align 3
 4    .section .data
 5    .global _num_app
 6_num_app:
 7    .quad 3
 8    .quad app_0_start
 9    .quad app_1_start
10    .quad app_2_start
11    .quad app_2_end
12
13    .section .data
14    .global app_0_start
15    .global app_0_end
16app_0_start:
17    .incbin "../user/target/riscv64gc-unknown-none-elf/release/hello_world.bin"
18app_0_end:
19
20    .section .data
21    .global app_1_start
22    .global app_1_end
23app_1_start:
24    .incbin "../user/target/riscv64gc-unknown-none-elf/release/bad_address.bin"
25app_1_end:
26
27    .section .data
28    .global app_2_start
29    .global app_2_end
30app_2_start:
31    .incbin "../user/target/riscv64gc-unknown-none-elf/release/power.bin"
32app_2_end:

第 13 行开始的三个数据段分别插入了三个应用程序的二进制镜像， 并且各自有一对全局符号 app_*_start, app_*_end 指示它们的开始和结束位置。 而第 3 行开始的另一个数据段相当于一个 64 位整数数组。 数组中的第一个元素表示应用程序的数量，后面则按照顺序放置每个应用程序的起始地址， 最后一个元素放置最后一个应用程序的结束位置。这样数组中相邻两个元素记录了每个应用程序的始末位置， 这个数组所在的位置由全局符号 _num_app 所指示。

这个文件是在 cargo build 时，由脚本 os/build.rs 控制生成的。

找到并加载应用程序二进制码

我们在 os 的 batch 子模块中实现一个应用管理器 AppManager ，结构体定义如下：

struct AppManager {
    num_app: usize,
    current_app: usize,
    app_start: [usize; MAX_APP_NUM + 1],
}

初始化 AppManager 的全局实例：

lazy_static! {
    static ref APP_MANAGER: UPSafeCell<AppManager> = unsafe {
        UPSafeCell::new({
            extern "C" {
                fn _num_app();
            }
            let num_app_ptr = _num_app as usize as *const usize;
            let num_app = num_app_ptr.read_volatile();
            let mut app_start: [usize; MAX_APP_NUM + 1] = [0; MAX_APP_NUM + 1];
            let app_start_raw: &[usize] =
                core::slice::from_raw_parts(num_app_ptr.add(1), num_app + 1);
            app_start[..=num_app].copy_from_slice(app_start_raw);
            AppManager {
                num_app,
                current_app: 0,
                app_start,
            }
        })
    };
}

初始化的逻辑很简单，就是找到 link_app.S 中提供的符号 _num_app ，并从这里开始解析出应用数量以及各个应用的开头地址。 用容器 UPSafeCell 包裹 AppManager 是为了防止全局对象 APP_MANAGER 被重复获取。

注解

UPSafeCell 实现在 sync 模块中，调用 exclusive_access 方法能获取其内部对象的可变引用， 如果程序运行中同时存在多个这样的引用，会触发 already borrowed: BorrowMutError。

UPSafeCell 既提供了内部可变性，又在单核情境下防止了内部对象被重复借用，我们将在后文中多次见到它。

这里使用了外部库 lazy_static 提供的 lazy_static! 宏。

lazy_static! 宏提供了全局变量的运行时初始化功能。一般情况下，全局变量必须在编译期设置初始值， 但是有些全局变量的初始化依赖于运行期间才能得到的数据。 如这里我们借助 lazy_static! 声明了一个 AppManager 结构的名为 APP_MANAGER 的全局实例， 只有在它第一次被使用到的时候才会进行实际的初始化工作。

AppManager 的方法中， print_app_info/get_current_app/move_to_next_app 都相当简单直接，需要说明的是 load_app：

 1unsafe fn load_app(&self, app_id: usize) {
 2    if app_id >= self.num_app {
 3        panic!("All applications completed!");
 4    }
 5    info!("[kernel] Loading app_{}", app_id);
 6    // clear icache
 7    core::arch::asm!("fence.i");
 8    // clear app area
 9    core::slice::from_raw_parts_mut(APP_BASE_ADDRESS as *mut u8, APP_SIZE_LIMIT).fill(0);
10    let app_src = core::slice::from_raw_parts(
11        self.app_start[app_id] as *const u8,
12        self.app_start[app_id + 1] - self.app_start[app_id],
13    );
14    let app_dst = core::slice::from_raw_parts_mut(APP_BASE_ADDRESS as *mut u8, app_src.len());
15    app_dst.copy_from_slice(app_src);
16}

这个方法负责将参数 app_id 对应的应用程序的二进制镜像加载到物理内存以 0x80400000 起始的位置， 这个位置是批处理操作系统和应用程序之间约定的常数地址。 我们将从这里开始的一块内存清空，然后找到待加载应用二进制镜像的位置，并将它复制到正确的位置。

清空内存前，我们插入了一条奇怪的汇编指令 fence.i ，它是用来清理 i-cache 的。 我们知道， 缓存又分成 数据缓存 (d-cache) 和 指令缓存 (i-cache) 两部分，分别在 CPU 访存和取指的时候使用。 通常情况下， CPU 会认为程序的代码段不会发生变化，因此 i-cache 是一种只读缓存。 但在这里，我们会修改会被 CPU 取指的内存区域，使得 i-cache 中含有与内存不一致的内容， 必须使用 fence.i 指令手动清空 i-cache ，让里面所有的内容全部失效， 才能够保证程序执行正确性。

警告

模拟器与真机的不同之处

在 Qemu 模拟器上，即使不加刷新 i-cache 的指令，大概率也能正常运行，但在物理计算机上不是这样。

batch 子模块对外暴露出如下接口：

  • init ：调用 print_app_info 的时第一次用到了全局变量 APP_MANAGER ，它在这时完成初始化；

  • run_next_app ：批处理操作系统的核心操作，即加载并运行下一个应用程序。 批处理操作系统完成初始化，或者应用程序运行结束/出错后会调用该函数。下节再介绍其具体实现。