引言 ============================== .. _term-illusion: .. _term-time-division-multiplexing: .. _term-transparent: **本章导读** ------------------------------- .. chyyuu：有一个ascii图，画出我们做的OS。 本章展现了操作系统一系列功能： - 通过动态内存分配，提高了应用程序对内存的动态使用效率 - 通过页表的虚实内存映射机制，简化了编译器对应用的地址空间设置 - 通过页表的虚实内存映射机制，加强了应用之间，应用与内核之间的内存隔离，增强了系统安全 - 通过页表的虚实内存映射机制，可以实现空分复用（提出，但没有实现） 上一章，我们分别实现了多道程序和分时多任务系统，它们的核心机制都是任务切换。由于它们的设计初衷不同，它们切换 的时机和策略也不同。有趣的一点是，任务切换机制对于应用是完全 **透明** (Transparent) 的，应用可以不对内核 实现该机制的策略做任何假定 （除非要进行某些针对性优化），甚至可以完全不知道这机制的存在。在大多数应用（也就是应用开发者）的视角中，它们会独占 一整个 CPU 直到执行完毕。当然，通过上一章的学习，我们知道在现代操作系统中，出于公平性的考虑，我们极少会让这种情况 发生。所以应用自认为的独占只是内核想让应用看到的一种 **幻象** (Illusion) ，而 CPU 计算资源被 **时分复用** (TDM, Time-Division Multiplexing) 的实质被内核通过恰当的抽象隐藏了起来，对应用不可见。 与之相对，我们目前还没有对内存管理功能进行有效的管理，仅仅是把程序放到某处的物理内存中。在上一章中，出于任务切换的需要，所有的应用都在初始化阶段被加载到 内存中并同时驻留下去直到它们全部运行结束。而且，所有的应用都直接通过物理地址访问物理内存。这会带来以下问题： - 首先，内核提供给应用的内存访问接口不够透明，也不好用。由于应用直接访问物理内存， 这需要它在构建的时候就需要规划自己需要被加载到哪个地址运行。为了避免冲突可能还需要应用的开发者们对此进行协商， 这显然是一件在今天看来不可理喻且极端麻烦的事情。 - 其次，内核并没有对应用的访存行为进行任何保护措施，每个应用都有整块物理内存的读写权力。即使应用被限制在 U 特权级 下运行，它还是能够造成很多麻烦：比如它可以读写其他应用的数据来窃取信息或者破坏它的正常运行；甚至它还可以修改内核 的代码段来替换掉原本的 ``trap_handler`` 来挟持内核执行恶意代码。总之，这造成系统既不安全、也不稳定。 - 再次，目前应用的内存使用空间在其运行前已经限定死了，内核不能灵活地给应用程序提供的运行时动态可用内存空间。比如一个应用结束后，这个应用所占的空间就被释放了，但这块空间无法动态地给其它还在运行的应用使用。 因此，为了防止应用胡作非为，本章将更好的管理物理内存，并提供给应用一个抽象出来的更加透明易用、也更加安全的访存接口，就和上一章我们对 CPU 资源所做的事情一样，这就是我们要设计实现的具有超强防护能力的侏罗纪“头甲龙”操作系统。 并可归纳抽象出 ``地址空间 Address Space`` ， ``物理地址`` ， ``虚拟地址`` 等操作系统的概念。 而对于灵活使用动态内存空间的问题，将在后续章节中进一步描述。 .. chyyuu：在哪里讲解虚存的设计与实现？？？ **实践体验** ----------------------- 本章的应用和上一章相同，只不过由于内核提供给应用的访存接口被替换，应用的构建方式发生了变化，这方面在下面会深入介绍。 因此应用运行起来的话效果是和上一章保持一致的。 获取本章代码： .. code-block:: console $ git clone https://github.com/rcore-os/rCore-Tutorial-v3.git $ cd rCore-Tutorial-v3 $ git checkout ch4 在 qemu 模拟器上运行本章代码： .. code-block:: console $ cd os $ make run 将 Maix 系列开发版连接到 PC，并在上面运行本章代码： .. code-block:: console $ cd os $ make run BOARD=k210 如果顺利的话，我们将看到和上一章相同的运行结果（以 K210 平台为例）： .. code-block:: [rustsbi] Version 0.1.0 .______ __ __ _______.___________. _______..______ __ | _ \ | | | | / | | / || _ \ | | | |_) | | | | | | (----`---| |----`| (----`| |_) || | | / | | | | \ \ | | \ \ | _ < | | | |\ \----.| `--' |.----) | | | .----) | | |_) || | | _| `._____| \______/ |_______/ |__| |_______/ |______/ |__| [rustsbi] Platform: K210 [rustsbi] misa: RV64ACDFIMSU [rustsbi] mideleg: 0x222 [rustsbi] medeleg: 0x1ab [rustsbi] Kernel entry: 0x80020000 [kernel] Hello, world! .text [0x80020000, 0x8002b000) .rodata [0x8002b000, 0x8002e000) .data [0x8002e000, 0x8004d000) .bss [0x8004d000, 0x8035e000) mapping .text section mapping .rodata section mapping .data section mapping .bss section mapping physical memory [kernel] back to world! remap_test passed! init TASK_MANAGER num_app = 4 power_3 [10000/300000] power_3 [20000/300000] power_3 [power_5 [10000/210000] power_5 [20000/210000] power_5 [30000/210000] power_5 [40000/210000] power_5 [50000/210000power_7 [10000/240000] power_7 [20000/240000] power_7 [30000/240000] power_7 [40000/240000] power_7 [5000030000/300000] power_3 [40000/300000] power_3 [50000/300000] power_3 [60000/300000] power_3 [70000/300000] ] power_5 [60000/210000] power_5 [70000/210000] power_5 [80000/210000] power_5 [90000/210000] power_5 [100000//240000] power_7 [60000/240000] power_7 [70000/240000] power_7 [80000/240000] power_7 [90000/240000] power_3 [80000/300000] power_3 [90000/300000] power_3 [100000/300000] power_3 [110000/300000] power_3 [120000/300000] 210000] power_5 [110000/210000] power_5 [120000/210000] power_5 [130000/210000] power_5 [140000/210000] power_7 [100000/240000] power_7 [110000/240000] power_7 [120000/240000] power_7 [130000/240000] power_7 [140000/240000power_3 [130000/300000] power_3 [140000/300000] power_3 [150000/300000] power_3 [160000/300000] power_3 [170000power_5 [150000/210000] power_5 [160000/210000] power_5 [170000/210000] power_5 [180000/210000] power_5 [190000/210000] power_7 [150000/240000] power_7 [160000/240000] power_7 [170000/240000] power_7 [180000/240000] power_7 [/300000] power_3 [180000/300000] power_3 [190000/300000] power_3 [200000/300000] power_3 [210000/300000] ] power_5 [200000/210000] power_5 [210000/210000] 5^210000 = 527227302(mod 998244353) Test power_5 OK! [kernel] Application exited with code 0 power_3 [220000/300000] power_3 [230000/300000] power_3 [240000/300000] power_3 [250000/300000] power_3 [260000/300000190000/240000] power_7 [200000/240000] power_7 [210000/240000] power_7 [220000/240000] power_7 [230000/240000] ] power_3 [270000/300000] power_3 [280000/300000] power_3 [290000/300000] power_3 [300000/300000] 3^300000 = 612461288power_7 [240000/240000] 7^240000 = 304164893(mod 998244353) Test power_7 OK! [kernel] Application exited with code 0 (mod 998244353) Test power_3 OK! [kernel] Application exited with code 0 Test sleep OK! [kernel] Application exited with code 0 [kernel] Panicked at src/task/mod.rs:112 All applications completed! [rustsbi] reset triggered! todo: shutdown all harts on k210; program halt