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-2023S.git
$ cd rCore-Tutorial-Code-2023S
$ git checkout ch2
$ git clone https://github.com/LearningOS/rCore-Tutorial-Test-2023S.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 0.2.0-alpha.4
.______ __ __ _______.___________. _______..______ __
| _ \ | | | | / | | / || _ \ | |
| |_) | | | | | | (----`---| |----`| (----`| |_) || |
| / | | | | \ \ | | \ \ | _ < | |
| |\ \----.| `--' |.----) | | | .----) | | |_) || |
| _| `._____| \______/ |_______/ |__| |_______/ |______/ |__|
[rustsbi] Implementation: RustSBI-QEMU Version 0.0.1
[rustsbi-dtb] Hart count: cluster0 with 1 cores
[rustsbi] misa: RV64ACDFIMSU
[rustsbi] mideleg: ssoft, stimer, sext (0x222)
[rustsbi] medeleg: ima, ia, bkpt, la, sa, uecall, ipage, lpage, spage (0xb1ab)
[rustsbi] pmp0: 0x80000000 ..= 0x800fffff (rwx)
[rustsbi] pmp1: 0x80000000 ..= 0x807fffff (rwx)
[rustsbi] pmp2: 0x0 ..= 0xffffffffffffff (---)
[rustsbi] enter supervisor 0x80200000
[kernel] Hello, world!
[ INFO] [kernel] num_app = 6
[ INFO] [kernel] app_0 [0x8020b040, 0x8020f868)
[ INFO] [kernel] app_1 [0x8020f868, 0x80214090)
[ INFO] [kernel] app_2 [0x80214090, 0x80218988)
[ INFO] [kernel] app_3 [0x80218988, 0x8021d160)
[ INFO] [kernel] app_4 [0x8021d160, 0x80221a68)
[ INFO] [kernel] app_5 [0x80221a68, 0x80226538)
[ INFO] [kernel] Loading app_0
[ERROR] [kernel] PageFault in application, core dumped.
[ INFO] [kernel] Loading app_1
[ERROR] [kernel] IllegalInstruction in application, core dumped.
[ INFO] [kernel] Loading app_2
[ERROR] [kernel] IllegalInstruction in application, core dumped.
[ INFO] [kernel] Loading app_3
[ INFO] [kernel] Application exited with code 1234
[ INFO] [kernel] Loading app_4
Hello, world from user mode program!
[ INFO] [kernel] Application exited with code 0
[ INFO] [kernel] Loading app_5
3^10000=5079(MOD 10007)
3^20000=8202(MOD 10007)
3^30000=8824(MOD 10007)
3^40000=5750(MOD 10007)
3^50000=3824(MOD 10007)
3^60000=8516(MOD 10007)
3^70000=2510(MOD 10007)
3^80000=9379(MOD 10007)
3^90000=2621(MOD 10007)
3^100000=2749(MOD 10007)
Test power OK!
[ INFO] [kernel] Application exited with code 0
Panicked at src/batch.rs:68 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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