[自制操作系统] 第19回 实现用户进程(下)
目录
一、前景回顾
二、进程的创建与初始化
三、如何进行进程的切换
四、运行测试
五、原书勘误
在上一回我们大概讲述了任务切换的发展，并且知道Linux采用的是一个CPU使用一个TSS的方式，在最后我们成功实现了tss。现在万事俱备，我们正式来实现用户进程。
进程的创建与线程的创建很相似，这里直接上图来对比分析：
我们使用process_execute函数来创建初始化进程。
1 /*创建用户进程*/ 2 void process_execute(void *filename, char *name) 3 { 4 /*pcb内核的数据结构，由内核来维护进程信息，因此要在内核内存池中申请*/ 5 struct task_struct *thread = get_kernel_pages(1); 6 init_thread(thread, name, 31); 7 thread_create(thread, start_process, filename); 8 create_user_vaddr_bitmap(thread); //创建虚拟地址的位图 9 thread->pgdir = create_page_dir(); //用户进程的页目录表的物理地址，这里传进来的是页目录表物理地址所对应的虚拟地址 10 11 enum intr_status old_status = intr_disable(); 12 ASSERT(!elem_find(&thread_ready_list, &thread->general_tag)); 13 list_append(&thread_ready_list, &thread->general_tag); 14 15 ASSERT(!elem_find(&thread_all_list, &thread->all_list_tag)); 16 list_append(&thread_all_list, &thread->all_list_tag); 17 intr_set_status(old_status); 18 }
在该函数中首先使用get_kernel_pages函数在内核物理空间中申请一页物理内存来作为进程的PCB，因为最终调度是由内核来操控的，所以PCB统一都在内核物理空间中申请。随后依旧调用init_thread()和thread_create()函数来初始化进程的PCB。
下面开始不一样了，create_user_vaddr_bitmap()函数的作用是给进程创建初始化位图。这里科普一下：我们都知道进程有4GB的虚拟空间，其中第1~3GB是分配给用户空间，第4GB是分配给内核空间，这是Linux下的分配习惯，我们照搬。而用户空间实际上只用上了0x08048000到0xc0000000这一部分。所以create_user_vaddr_bitmap()函数也就是将这一部分空间划分到用户的虚拟地址内存池中。
再来看create_page_dir()函数，我们知道操作系统被所有用户进程所共享，所以我们将用户进程页目录表中的第768~1023个页目录项用内核页目录表的第768~1023个页目录项代替，其实就是将内核所在的页目录项复制到进程页目录表中同等位置，这样就能让用户进程的高1GB空间指向内核。最后再将进程添加到全部队列和就绪队列中供调度。至此，用户进程就算创建初始化完毕了。
我们现在来看看进程的PCB的内容：
因为我们之前一直都是处于内核态下，也就是0特权级下。现在要切换到用户进程也就是用户态，3特权级下运行，和之前的切换不太一样。还是举例来说明吧。
假设当前内核线程A时间片用光了，在调度函数schedule()中会从就绪队列中弹出下一个进程B的PCB，根据PCB我们就知道了进程B的所有信息。不过接下来和之前线程的切换不一样了，首先调用process_activate()函数激活下一个内核线程或者进程的页表。对于内核线程来说，内核线程的页目录表在之前激活分页机制的时候就已经设定好了，被存放在0x10000地址处。如果不是内核线程，那么就需要将进程B的页目录表地址赋给CR3寄存器，因为CPU寻址是基于CR3寄存器中保存的页目录表的地址来寻址的。切换到进程B后，需要将进程B的页目录表地址赋给了CR3寄存器。
1 /*激活线程或进程的页表，更新tss中的esp0为进程的特权级0的栈*/
2 void process_activate(struct task_struct *p_thread)
3 {
4 ASSERT(p_thread != NULL);
5 //激活该线程或者进程的页表
6 page_dir_activate(p_thread);
7
8 if (p_thread->pgdir) { //如果是进程那么需要在tss中填入0级特权栈的esp0
9 update_tss_esp(p_thread);
10 }
11 }
除此之外，还要将tss中的esp0字段更新为进程B的0级栈。前面已经说过，进程在由例如中断等操作从3特权级进入0特权级后，也就是进入内核态，使用的会是0特权级下的栈，不再是3特权级的栈。因此在这个地方我们需要给进程B更新0特权级栈。方便以后进程B进入内核态。这里我们可以看到，进程B的0特权级的栈顶指针指向进程B的PCB最高处。
1 /*更新tss中的esp0字段的值为pthread的0级栈*/
2 void update_tss_esp(struct task_struct *pthread)
3 {
4 tss.esp0 = (uint32_t *)((uint32_t)pthread + PG_SIZE);
5 }
这一系列操作完成后，我们又回到switch_to函数，和前面讲线程切换也是一样，首先通过一系列的push操作，将当前内核线程A的寄存器信息压入栈中以便下次又被调度上CPU后可以恢复环境。随后从进程B的PCB中得到新的栈。此时进程B的栈的情况如下：
1 switch_to: 2 push esi ;这里是根据ABI原则保护四个寄存器 放到栈里面 3 push edi 4 push ebx 5 push ebp 6 7 mov eax, [esp+20] ;esp+20的位置是cur cur的pcb赋值给eax 8 mov [eax], esp ;[eax]为pcb的内核栈指针变量 把当前环境的esp值记录下来 9 10 mov eax, [esp+24] 11 mov esp, [eax] 12 13 pop ebp 14 pop ebx 15 pop edi 16 pop esi 17 ret
进程B的还是通过一系列POP操作，最终调用*eip所指向的函数kernel_thread，在该函数中又调用*function所指向的函数start_process()，该函数代码如下：
1 void start_process(void *filename) 2 { 3 void *function = filename; 4 struct task_struct *cur = running_thread(); 5 cur->self_kstack += sizeof(struct thread_stack); 6 struct intr_stack *proc_stack = (struct intr_stack *)cur->self_kstack; 7 proc_stack->edi = proc_stack->esi = proc_stack->ebp = proc_stack->esp_dummy = 0; 8 proc_stack->ebx = proc_stack->edx = proc_stack->ecx = proc_stack->eax = 0; 9 proc_stack->gs = 0; 10 proc_stack->ds = proc_stack->es = proc_stack->fs = SELECTOR_U_DATA; //数据段选择子 11 proc_stack->eip = function; //函数地址 ip 12 proc_stack->cs = SELECTOR_U_CODE; //cs ip cs选择子 13 proc_stack->eflags = (EFLAGS_IOPL_0 | EFLAGS_MBS | EFLAGS_IF_1); //不能够关闭中断 ELFAG_IF_1 不然会导致无法调度 14 proc_stack->esp = (void *)((uint32_t)get_a_page(PF_USER, USER_STACK3_VADDR) + PG_SIZE); //栈空间在0xc0000000以下一页的地方 当然物理内存是操作系统来分配 15 proc_stack->ss = SELECTOR_U_DATA; //数据段选择子 16 asm volatile ("movl %0, %%esp; jmp intr_exit" : : "g" (proc_stack) : "memory"); 17 }
来细品一下这个函数的内容。还记得前面的那个进程的PCB图吗？
首先通过running_thread函数获取到当前进程的PCB的地址。根据图中我们可以知道self_kstack一开始是被赋值指向栈顶，也就是线程栈的开始位置。经过cur->self_kstack += sizeof(struct thread_stack)后，现在self_kstack指向中断栈处了，如图所示。然后定义一个pro_stack指针指向self_kstack。这个先记住，待会儿会用上。
随后便是对一系列寄存器的初始化，重点关注ds、es、fs、cs、ss和gs这几个段寄存器的初始化，我们将它们初始化为用户进程下的3特权级的段选择子。因为在用户态下，我们是不能访问0特权级下的代码段和数据段的。对于gs寄存器，这里其实不管是否设置为0都无所谓，因为用户态下的程序是不能直接访问显存的，进程在从内核态进入用户态时会进行特权检查，如果gs段寄存器中的段选择子的特权等级高于进程返回后的特权等级，CPU就会自动将段寄存器gs给置0，如果用户进程一旦访问显存，就会报错。
再往下就给esp赋值，这个地方是为了当回到用户态空间后，给用户程序指定一个栈顶指针。这里我们将用户态的栈顶指针设置为用户态空间下的0xc0000000处。
最后通过内联汇编：
asm volatile ("movl %0, %%esp; jmp intr_exit" : : "g" (proc_stack) : "memory");
将proc_stack所指向的值赋给当前进程的esp，也就是栈顶指针，前面我们知道proc_stack已经被赋好了值，为self_kstack。最后便是跳转到intr_exit处执行代码。
此时栈的情况如下：
然后intr_exit的代码如下所示：
1 intr_exit: 2 add esp, 4 3 popad 4 pop gs 5 pop fs 6 pop es 7 pop ds 8 add esp, 4 9 iretd
看着代码就很好理解了，首先add esp, 4跳过栈中的vec_no，随后popad和pop操作弹出8个32位的通用寄存器和4个段寄存器。又是通过add esp, 4跳过栈中的err_code，最后执行iretd指令，将(*eip)、cs、eflags弹出，而我们事先已经将用户进程要运行的函数地址存放在eip中。最后，由于我们跳转后的用户态，它的特权级不同于当前内核态的特权级，所以需要恢复旧栈，CPU自动将栈中的esp和ss弹出。这些值在我们前面的start_process()函数中已经初始化完毕。至此我们就已经完成了内核态到用户态的转换。
这里我贴上本章所有相关代码：
1 #include "process.h"
2 #include "thread.h"
3 #include "global.h"
4 #include "memory.h"
5 #include "debug.h"
6 #include "console.h"
7 #include "interrupt.h"
8 #include "tss.h"
9
10 extern void intr_exit(void);
11 extern struct list thread_ready_list; //就绪队列
12 extern struct list thread_all_list;
13
14 void start_process(void *filename)
15 {
16 void *function = filename;
17 struct task_struct *cur = running_thread();
18 cur->self_kstack += sizeof(struct thread_stack);
19 struct intr_stack *proc_stack = (struct intr_stack *)cur->self_kstack;
20 proc_stack->edi = proc_stack->esi = proc_stack->ebp = proc_stack->esp_dummy = 0;
21 proc_stack->ebx = proc_stack->edx = proc_stack->ecx = proc_stack->eax = 0;
22 proc_stack->gs = 0;
23 proc_stack->ds = proc_stack->es = proc_stack->fs = SELECTOR_U_DATA; //数据段选择子
24 proc_stack->eip = function; //函数地址 ip
25 proc_stack->cs = SELECTOR_U_CODE; //cs ip cs选择子
26 proc_stack->eflags = (EFLAGS_IOPL_0 | EFLAGS_MBS | EFLAGS_IF_1); //不能够关闭中断 ELFAG_IF_1 不然会导致无法调度
27 proc_stack->esp = (void *)((uint32_t)get_a_page(PF_USER, USER_STACK3_VADDR) + PG_SIZE); //栈空间在0xc0000000以下一页的地方 当然物理内存是操作系统来分配
28 proc_stack->ss = SELECTOR_U_DATA; //数据段选择子
29 asm volatile ("movl %0, %%esp; jmp intr_exit" : : "g" (proc_stack) : "memory");
30 }
31
32
33 /*激活页表*/
34 void page_dir_activate(struct task_struct *p_thread)
35 {
36 //内核线程的页目录表的物理地址为0x100000
37 uint32_t pagedir_phy_addr = 0x100000;
38 if (p_thread->pgdir != NULL) { //说明下一个调用的是进程，否则是内核线程
39 pagedir_phy_addr = addr_v2p((uint32_t)p_thread->pgdir);
40 }
41
42 /*更新页目录寄存器CR3，使新页表生效*/
43 asm volatile("movl %0, %%cr3" : : "r" (pagedir_phy_addr) : "memory");
44 }
45
46 /*激活线程或进程的页表，更新tss中的esp0为进程的特权级0的栈*/
47 void process_activate(struct task_struct *p_thread)
48 {
49 ASSERT(p_thread != NULL);
50 //激活该线程或者进程的页表
51 page_dir_activate(p_thread);
52
53 if (p_thread->pgdir) { //如果是进程那么需要在tss中填入0级特权栈的esp0
54 update_tss_esp(p_thread);
55 }
56 }
57
58 uint32_t *create_page_dir(void)
59 {
60 //用户进程的页表不能让用户直接访问到，所以在内核空间申请
61 uint32_t *page_dir_vaddr = get_kernel_pages(1); //得到内存
62 if (page_dir_vaddr == NULL) {
63 console_put_str("create_page_dir: get_kernel_page failed!\n");
64 return NULL;
65 }
66
67 memcpy((uint32_t*)((uint32_t)page_dir_vaddr + 0x300 * 4), (uint32_t*)(0xfffff000 + 0x300 * 4), 1024); // 256项
68 uint32_t new_page_dir_phy_addr = addr_v2p((uint32_t)page_dir_vaddr);
69 page_dir_vaddr[1023] = new_page_dir_phy_addr | PG_US_U | PG_RW_W | PG_P_1; //最后一项是页目录项自己的地址
70
71 return page_dir_vaddr;
72 }
73
74
75 /*创建用户进程虚拟地址位图*/
76 void create_user_vaddr_bitmap(struct task_struct *user_prog)
77 {
78 user_prog->userprog_vaddr.vaddr_start = USER_VADDR_START;
79
80 //计算需要多少物理内存页来记录位图 USER_VADDR_START为0x08048000
81 uint32_t bitmap_pg_cnt = DIV_ROUND_UP((0xc0000000 - USER_VADDR_START) / PG_SIZE / 8, PG_SIZE);
82 user_prog->userprog_vaddr.vaddr_bitmap.bits = get_kernel_pages(bitmap_pg_cnt);
83
84 user_prog->userprog_vaddr.vaddr_bitmap.btmp_bytes_len = (0xc0000000 - USER_VADDR_START) / PG_SIZE / 8;
85 bitmap_init(&user_prog->userprog_vaddr.vaddr_bitmap);
86 }
87
88 /*创建用户进程*/
89 void process_execute(void *filename, char *name)
90 {
91 /*pcb内核的数据结构，由内核来维护进程信息，因此要在内核内存池中申请*/
92 struct task_struct *thread = get_kernel_pages(1);
93 init_thread(thread, name, 31);
94 thread_create(thread, start_process, filename);
95 create_user_vaddr_bitmap(thread); //创建虚拟地址的位图
96 thread->pgdir = create_page_dir(); //用户进程的页目录表的物理地址，这里传进来的是页目录表物理地址所对应的虚拟地址
97
98 enum intr_status old_status = intr_disable();
99 ASSERT(!elem_find(&thread_ready_list, &thread->general_tag));
100 list_append(&thread_ready_list, &thread->general_tag);
101
102 ASSERT(!elem_find(&thread_all_list, &thread->all_list_tag));
103 list_append(&thread_all_list, &thread->all_list_tag);
104 intr_set_status(old_status);
105 }
1 #ifndef __USERPROG_PROCESS_H
2 #define __USERPROG_PROCESS_H
3 #include "stdint.h"
4 #include "thread.h"
5
6 #define USER_STACK3_VADDR (0xc0000000 - 0x1000)
7 #define USER_VADDR_START 0x08048000
8
9
10 void process_execute(void *filename, char *name);
11 void create_user_vaddr_bitmap(struct task_struct *user_prog);
12 uint32_t *create_page_dir(void);
13 void process_activate(struct task_struct *p_thread);
14 void page_dir_activate(struct task_struct *p_thread);
15 void start_process(void *filename);
16
17 #endif
1 #include "memory.h"
2 #include "print.h"
3 #include "stdio.h"
4 #include "debug.h"
5 #include "string.h"
6 #include "thread.h"
7 #include "sync.h"
8
9 #define PG_SIZE 4096 //页大小
10
11 /*0xc0000000是内核从虚拟地址3G起，
12 * 0x100000意指低端内存1MB，为了使虚拟地址在逻辑上连续
13 * 后面申请的虚拟地址都从0xc0100000开始
14 */
15 #define K_HEAP_START 0xc0100000
16
17 #define PDE_IDX(addr) ((addr & 0xffc00000) >> 22)
18 #define PTE_IDX(addr) ((addr & 0x003ff000) >> 12)
19
20 struct pool {
21 struct bitmap pool_bitmap; //本内存池用到的位图结构
22 uint32_t phy_addr_start; //本内存池管理的物理内存的起始地址
23 uint32_t pool_size; //内存池的容量
24 struct lock lock;
25 };
26
27 struct pool kernel_pool, user_pool; //生成内核内存池和用户内存池
28 struct virtual_addr kernel_vaddr; //此结构用来给内核分配虚拟地址
29
30
31 /*初始化内存池*/
32 static void mem_pool_init(uint32_t all_mem)
33 {
34 put_str("mem_pool_init start\n");
35 /*目前页表和页目录表的占用内存
36 * 1页页目录表 + 第0和第768个页目录项指向同一个页表 + 第769～1022个页目录项共指向254个页表 = 256个页表
37 */
38 lock_init(&kernel_pool.lock);
39 lock_init(&user_pool.lock);
40
41 uint32_t page_table_size = PG_SIZE * 256;
42 uint32_t used_mem = page_table_size + 0x100000; //目前总共用掉的内存空间
43 uint32_t free_mem = all_mem - used_mem; //剩余内存为32MB-used_mem
44 uint16_t all_free_pages = free_mem / PG_SIZE; //将剩余内存划分为页，余数舍去，方便计算
45
46 /*内核空间和用户空间各自分配一半的内存页*/
47 uint16_t kernel_free_pages = all_free_pages / 2;
48 uint16_t user_free_pages = all_free_pages - kernel_free_pages;
49
50 /*为简化位图操作，余数不用做处理，坏处是这样会丢内存，不过只要内存没用到极限就不会出现问题*/
51 uint32_t kbm_length = kernel_free_pages / 8; //位图的长度单位是字节
52 uint32_t ubm_length = user_free_pages / 8;
53
54 uint32_t kp_start = used_mem; //内核内存池的起始物理地址
55 uint32_t up_start = kp_start + kernel_free_pages * PG_SIZE; //用户内存池的起始物理地址
56
57 /*初始化内核用户池和用户内存池*/
58 kernel_pool.phy_addr_start = kp_start;
59 user_pool.phy_addr_start = up_start;
60
61 kernel_pool.pool_size = kernel_free_pages * PG_SIZE;
62 user_pool.pool_size = user_free_pages * PG_SIZE;
63
64 kernel_pool.pool_bitmap.btmp_bytes_len = kbm_length;
65 user_pool.pool_bitmap.btmp_bytes_len = ubm_length;
66
67 /***********内核内存池和用户内存池位图************
68 *内核的栈底是0xc009f00，减去4KB的PCB大小，便是0xc009e00
69 *这里再分配4KB的空间用来存储位图，那么位图的起始地址便是
70 *0xc009a00,4KB的空间可以管理4*1024*8*4KB=512MB的物理内存
71 *这对于我们的系统来说已经绰绰有余了。
72 */
73 /*内核内存池位图地址*/
74 kernel_pool.pool_bitmap.bits = (void *)MEM_BIT_BASE; //MEM_BIT_BASE(0xc009a00)
75 /*用户内存池位图地址紧跟其后*/
76 user_pool.pool_bitmap.bits = (void *)(MEM_BIT_BASE + kbm_length);
77
78 /*输出内存池信息*/
79 put_str("kernel_pool_bitmap_start:");
80 put_int((int)kernel_pool.pool_bitmap.bits);
81 put_str("\n");
82 put_str("kernel_pool.phy_addr_start:");
83 put_int(kernel_pool.phy_addr_start);
84 put_str("\n");
85
86 put_str("user_pool_bitmap_start:");
87 put_int((int)user_pool.pool_bitmap.bits);
88 put_str("\n");
89 put_str("user_pool.phy_addr_start:");
90 put_int(user_pool.phy_addr_start);
91 put_str("\n");
92
93 /*将位图置0*/
94 bitmap_init(&kernel_pool.pool_bitmap);
95 bitmap_init(&user_pool.pool_bitmap);
96
97 /*初始化内核虚拟地址的位图，按照实际物理内存大小生成数组*/
98 kernel_vaddr.vaddr_bitmap.btmp_bytes_len = kbm_length;
99 /*内核虚拟地址内存池位图地址在用户内存池位图地址其后*/
100 kernel_vaddr.vaddr_bitmap.bits = (void *)(MEM_BIT_BASE + kbm_length + ubm_length);
101 /*内核虚拟地址内存池的地址以K_HEAP_START为起始地址*/
102 kernel_vaddr.vaddr_start = K_HEAP_START;
103 bitmap_init(&kernel_vaddr.vaddr_bitmap);
104
105 put_str("mem_pool_init done\n");
106 }
107
108 /*内存管理部分初始化入口*/
109 void mem_init(void)
110 {
111 put_str("mem_init start\n");
112 uint32_t mem_bytes_total = 33554432; //32MB内存 32*1024*1024=33554432
113 mem_pool_init(mem_bytes_total);
114 put_str("mem_init done\n");
115 }
116
117
118 /*在pf表示的虚拟内存池中申请pg_cnt个虚拟页
119 * 成功则返回虚拟地址的起始地址，失败返回NULL
120 */
121 static void *vaddr_get(enum pool_flags pf, uint32_t pg_cnt)
122 {
123 int vaddr_start = 0;
124 int bit_idx_start = -1;
125 uint32_t cnt = 0;
126 if (pf == PF_KERNEL) {
127 bit_idx_start = bitmap_scan(&kernel_vaddr.vaddr_bitmap, pg_cnt);
128 if (bit_idx_start == -1) {
129 return NULL;
130 }
131 /*在位图中将申请到的虚拟内存页所对应的位给置1*/
132 while (cnt < pg_cnt) {
133 bitmap_set(&kernel_vaddr.vaddr_bitmap, bit_idx_start + cnt++, 1);
134 }
135 vaddr_start = kernel_vaddr.vaddr_start + bit_idx_start * PG_SIZE;
136
137 } else { //用户内存池
138 struct task_struct *cur = running_thread();
139 bit_idx_start = bitmap_scan(&cur->userprog_vaddr.vaddr_bitmap, pg_cnt);
140 if (bit_idx_start == -1) {
141 return NULL;
142 }
143 while (cnt < pg_cnt) {
144 bitmap_set(&cur->userprog_vaddr.vaddr_bitmap, bit_idx_start + cnt++, 1);
145 }
146 vaddr_start = cur->userprog_vaddr.vaddr_start + bit_idx_start * PG_SIZE;
147 /*0xc00000000 - PG_SIZE作为用户3级栈已经在start_process被分配*/
148 ASSERT((uint32_t)vaddr_start < (0xc0000000 - PG_SIZE));
149 }
150 return (void *)vaddr_start;
151 }
152
153 /*得到虚拟地址vaddr所对应的pte指针
154 * 这个指针也是一个虚拟地址，CPU通过这个虚拟地址去寻址会得到一个真实的物理地址
155 * 这个物理地址便是存放虚拟地址vaddr对应的普通物理页的地址
156 * 假设我们已经知道虚拟地址vaddr对应的普通物理页地址为0xa
157 * 那么便可以通过如下操作完成虚拟地址和普通物理页地址的映射
158 * *pte = 0xa
159 */
160 uint32_t *pte_ptr(uint32_t vaddr)
161 {
162 uint32_t *pte = (uint32_t *)(0xffc00000 + \
163 ((vaddr & 0xffc00000) >> 10) + \
164 PTE_IDX(vaddr) * 4);
165 return pte;
166 }
167
168 /*得到虚拟地址vaddr所对应的pde指针
169 * 这个指针也是一个虚拟地址，CPU通过这个虚拟地址去寻址会得到一个真实的物理地址
170 * 这个物理地址便是存放虚拟地址vaddr对应的页表的地址，使用方法同pte_ptr()一样
171 */
172 uint32_t *pde_ptr(uint32_t vaddr)
173 {
174 uint32_t *pde = (uint32_t *)(0xfffff000 + PDE_IDX(vaddr) * 4);
175 return pde;
176 }
177
178 /*在m_pool指向的物理内存地址中分配一个物理页
179 * 成功则返回页框的物理地址，失败返回NULL
180 */
181 static void *palloc(struct pool *m_pool)
182 {
183 int bit_idx = bitmap_scan(&m_pool->pool_bitmap, 1);
184 if (bit_idx == -1) {
185 return NULL;
186 }
187 /*在位图中将申请到的物理内存页所对应的位给置1*/
188 bitmap_set(&m_pool->pool_bitmap, bit_idx, 1);
189 /*得到申请的物理页所在地址*/
190 uint32_t page_phyaddr = (m_pool->phy_addr_start + bit_idx * PG_SIZE);
191
192 return (void *)page_phyaddr;
193 }
194
195 /*在页表中添加虚拟地址_vaddr与物理地址_page_phyaddr的映射*/
196 static void page_table_add(void *_vaddr, void *_page_phyaddr)
197 {
198 uint32_t vaddr = (uint32_t)_vaddr;
199 uint32_t page_phyaddr = (uint32_t)_page_phyaddr;
200 uint32_t *pde = pde_ptr(vaddr);
201 uint32_t *pte = pte_ptr(vaddr);
202
203 //先判断虚拟地址对应的pde是否存在
204 if (*pde & 0x00000001) {
205 ASSERT(!(*pte & 0x00000001));
206 *pte = (page_phyaddr | PG_US_U | PG_RW_W | PG_P_1);
207 } else { //页目录项不存在，需要先创建页目录再创建页表项
208 uint32_t pde_phyaddr = (uint32_t)palloc(&kernel_pool);
209 *pde = (pde_phyaddr | PG_US_U | PG_RW_W | PG_P_1);
210 /* 将分配到的物理页地址pde_phyaddr对应的物理内存清0
211 * 避免里面的陈旧数据变成页表项
212 */
213 /* 这个地方不能这样memset((void *)pde_phyaddr, 0, PG_SIZE);
214 * 因为现在我们所使用的所有地址都是虚拟地址，虽然我们知道pde_phyaddr是真实的物理地址
215 * 可是CPU是不知道的，CPU会把pde_phyaddr当作虚拟地址来使用，这样就肯定无法清0了
216 * 所以解决问题的思路就是：如何得到pde_phyaddr所对应的虚拟地址。
217 */
218 //为什么不是memset((void *)((int)pde & 0xffc00000), 0, PG_SIZE);
219 //建议好好看看pde_ptr()和pte_ptr()函数的实现
220 memset((void *)((int)pte & 0xfffff000), 0, PG_SIZE);
221 ASSERT(!(*pte & 0x00000001));
222 *pte = (page_phyaddr | PG_US_U | PG_RW_W | PG_P_1);
223 }
224 }
225
226 /*分配pg_cnt个页空间，成功则返回起始虚拟地址，失败返回NULL*/
227 void *malloc_page(enum pool_flags pf, uint32_t pg_cnt)
228 {
229 ASSERT((pg_cnt > 0) && (pg_cnt < 3840));
230 void *vaddr_start = vaddr_get(pf, pg_cnt);
231 if (vaddr_start == NULL) {
232 return NULL;
233 }
234
235 uint32_t vaddr = (uint32_t)vaddr_start;
236 uint32_t cnt = pg_cnt;
237
238 struct pool *mem_pool = pf & PF_KERNEL ? &kernel_pool : &user_pool;
239
240 /*因为虚拟地址连续，而物理地址不一定连续，所以逐个做映射*/
241 while (cnt-- > 0) {
242 void *page_phyaddr = palloc(mem_pool);
243 if (page_phyaddr == NULL) {
244 return NULL;
245 }
246 page_table_add((void *)vaddr, page_phyaddr);
247 vaddr += PG_SIZE;
248 }
249 return vaddr_start;
250 }
251
252 /*从内核物理内存池中申请pg_cnt页内存，成功返回其虚拟地址，失败返回NULL*/
253 void *get_kernel_pages(uint32_t pg_cnt)
254 {
255 void *vaddr = malloc_page(PF_KERNEL, pg_cnt);
256 if (vaddr != NULL) {
257 memset(vaddr, 0, pg_cnt * PG_SIZE);
258 }
259 return vaddr;
260 }
261
262
263 /*在用户空间中申请4K内存，并返回其虚拟地址*/
264 void *get_user_pages(uint32_t pg_cnt)
265 {
266 lock_acquire(&user_pool.lock);
267 void *vaddr = malloc_page(PF_USER, pg_cnt);
268 memset(vaddr, 0, pg_cnt * PG_SIZE);
269 lock_release(&user_pool.lock);
270 return vaddr;
271 }
272
273 /*将地址vaddr与pf池中的物理地址关联起来，仅支持一页内存空间分配*/
274 void *get_a_page(enum pool_flags pf, uint32_t vaddr)
275 {
276 struct pool *mem_pool = pf & PF_KERNEL ? &kernel_pool : &user_pool;
277 lock_acquire(&mem_pool->lock);
278
279 struct task_struct* cur = running_thread();
280 int32_t bit_idx = -1;
281
282 //虚拟地址位图置1
283 if (cur->pgdir != NULL && pf == PF_USER) {
284 bit_idx = (vaddr - cur->userprog_vaddr.vaddr_start) / PG_SIZE;
285 ASSERT(bit_idx > 0);
286 bitmap_set(&cur->userprog_vaddr.vaddr_bitmap, bit_idx, 1);
287 } else if(cur->pgdir == NULL && pf == PF_KERNEL) {
288 bit_idx = (vaddr - kernel_vaddr.vaddr_start) / PG_SIZE;
289 ASSERT(bit_idx > 0);
290 bitmap_set(&kernel_vaddr.vaddr_bitmap, bit_idx, 1);
291 } else {
292 PANIC("get_a_page:not allow kernel alloc userspace or user alloc kernelspace by get_a_page");
293 }
294
295 void* page_phyaddr = palloc(mem_pool);
296 if (page_phyaddr == NULL)
297 return NULL;
298 page_table_add((void *)vaddr, page_phyaddr);
299 lock_release(&mem_pool->lock);
300 return (void *)vaddr;
301 }
302
303 /*得到虚拟地址映射的物理地址*/
304 uint32_t addr_v2p(uint32_t vaddr)
305 {
306 uint32_t *pte = pte_ptr(vaddr);
307 return ((*pte & 0xfffff000) + (vaddr & 0x00000fff));
308 }
1 #ifndef __KERNEL_MEMORY_H
2 #define __KERNEL_MEMORY_H
3 #include "stdint.h"
4 #include "bitmap.h"
5
6 #define MEM_BIT_BASE 0xc009a000
7
8 /*虚拟地址池，用于虚拟地址管理*/
9 struct virtual_addr {
10 struct bitmap vaddr_bitmap; //虚拟地址用到的位图结构
11 uint32_t vaddr_start; //虚拟地址起始地址
12 };
13
14 /*内存池标记，用于判断用哪个内存池*/
15 enum pool_flags {
16 PF_KERNEL = 1,
17 PF_USER = 2
18 };
19
20 #define PG_P_1 1 //页表项或页目录项存在属性位，存在
21 #define PG_P_0 0 //页表项或页目录项存在属性位，不存在
22 #define PG_RW_R 0 //R/W属性位值，不可读/不可写
23 #define PG_RW_W 2 //R/W属性位值，可读/可写
24 #define PG_US_S 0 //U/S属性位值，系统级
25 #define PG_US_U 4 //U/S属性位值，用户级
26
27 void mem_init(void);
28 void *get_kernel_pages(uint32_t pg_cnt);
29 void *get_a_page(enum pool_flags pf, uint32_t vaddr);
30 void *get_user_pages(uint32_t pg_cnt);
31 uint32_t addr_v2p(uint32_t vaddr);
32 void *get_a_page(enum pool_flags pf, uint32_t vaddr);
33
34 #endif
1 #include "thread.h"
2 #include "string.h"
3 #include "memory.h"
4 #include "list.h"
5 #include "interrupt.h"
6 #include "debug.h"
7 #include "print.h"
8 #include "stddef.h"
9 #include "process.h"
10
11 struct task_struct *main_thread; //主线程PCB
12 struct list thread_ready_list; //就绪队列
13 struct list thread_all_list; //所有人物队列
14 static struct list_elem *thread_tag; //用于保存队列中的线程节点
15 extern void switch_to(struct task_struct* cur, struct task_struct* next);
16
17
18 /*获取当前线程PCB指针*/
19 struct task_struct *running_thread(void)
20 {
21 uint32_t esp;
22 asm volatile ("mov %%esp, %0" : "=g" (esp));
23
24 /*取esp整数部分，即PCB起始地址*/
25 return (struct task_struct *)(esp & 0xfffff000);
26 }
27
28 /*由kernel_thread去执行function(func_arg)*/
29 static void kernel_thread(thread_func *function, void *func_arg)
30 {
31 /*执行function前要开中断，避免后面的时钟中断被屏蔽，而无法调度其他线程*/
32 intr_enable();
33 function(func_arg);
34 }
35
36 /*初始化线程PCB*/
37 void init_thread(struct task_struct *pthread, char *name, int prio)
38 {
39 memset(pthread, 0, sizeof(*pthread));
40 strcpy(pthread->name, name);
41
42 /*由于main函数也封装成了一个线程，并且他是一直在运行的，所以将其直接设置为TASK_RUNNING*/
43 if (pthread == main_thread) {
44 pthread->status = TASK_RUNNING;
45 } else {
46 pthread->status = TASK_READY;
47 }
48 //pthread->status = TASK_RUNNING;
49 pthread->priority = prio;
50 pthread->ticks = prio;
51 pthread->elapsed_ticks = 0;
52 pthread->pgdir = NULL;
53 pthread->self_kstack = (uint32_t *)((uint32_t)pthread + PG_SIZE);
54 pthread->stack_magic = 0x19870916;
55 }
56
57 void thread_create(struct task_struct *pthread, thread_func function, void *func_arg)
58 {
59 pthread->self_kstack -= sizeof(struct intr_stack);
60 pthread->self_kstack -= sizeof(struct thread_stack);
61
62 //初始化线程栈
63 struct thread_stack *kthread_stack = (struct thread_stack *)pthread->self_kstack;
64 kthread_stack->eip = kernel_thread;
65 kthread_stack->function = function;
66 kthread_stack->func_arg = func_arg;
67 kthread_stack->ebp = kthread_stack->ebx = kthread_stack->edi = kthread_stack->esi = 0;
68 }
69
70 /*创建一个优先级为prio的线程，线程名字为name，线程所执行的函数为function(func_arg)*/
71 struct task_struct *thread_start(char *name, int prio, thread_func function, void *func_arg)
72 {
73 /*创建线程的pcb，大小为4kb*/
74 struct task_struct *thread = get_kernel_pages(1);
75 init_thread(thread, name, prio);
76 thread_create(thread, function, func_arg);
77
78 /*确保之前不在队列中*/
79 ASSERT(!elem_find(&thread_ready_list, &thread->general_tag));
80
81 /*加入就绪线程队列*/
82 list_append(&thread_ready_list, &thread->general_tag);
83
84 /*确保之前不在队列*/
85 ASSERT(!elem_find(&thread_all_list, &thread->all_list_tag));
86
87 /*加入全部线程队列*/
88 list_append(&thread_all_list, &thread->all_list_tag);
89
90 return thread;
91 }
92
93 static void make_main_thread(void)
94 {
95 main_thread = running_thread();
96 init_thread(main_thread, "main", 31);
97
98 /*main函数是当前线程，当前线程不在thread_ready_list,所以只能将其加在thread_all_list*/
99 ASSERT(!elem_find(&thread_all_list, &main_thread->all_list_tag));
100 list_append(&thread_all_list, &main_thread->all_list_tag);
101 }
102
103 /*实现任务调度*/
104 void schedule(void)
105 {
106 ASSERT(intr_get_status() == INTR_OFF);
107 struct task_struct *cur = running_thread();
108 if (cur->status == TASK_RUNNING) {
109 ASSERT(!elem_find(&thread_ready_list, &cur->general_tag));
110 list_append(&thread_ready_list, &cur->general_tag);
111 cur->ticks = cur->priority;
112 cur->status = TASK_READY;
113 } else {
114 /*阻塞等其他情况*/
115 }
116
117 ASSERT(!list_empty(&thread_ready_list));
118 thread_tag = NULL;
119 thread_tag = list_pop(&thread_ready_list);
120
121 struct task_struct *next = elem2entry(struct task_struct, general_tag, thread_tag);
122 next->status = TASK_RUNNING;
123
124 process_activate(next);
125 switch_to(cur, next);
126 }
127
128 /*初始化线程环境*/
129 void thread_init(void)
130 {
131 put_str("thread_init start\n");
132 list_init(&thread_ready_list);
133 list_init(&thread_all_list);
134 /*将当前main函数创建为线程*/
135 make_main_thread();
136 put_str("thread_init done\n");
137 }
138
139 /*当前线程将自己阻塞，标志其状态为stat*/
140 void thread_block(enum task_status stat)
141 {
142 /*stat取值为TASK_BLOCKED、TASK_WAITING、TASK_HANGING
143 这三种状态才不会被调度*/
144 ASSERT(((stat == TASK_BLOCKED) || (stat == TASK_WAITING) || (stat == TASK_HANGING)));
145 enum intr_status old_status = intr_disable();
146 struct task_struct *cur_thread = running_thread();
147 cur_thread->status = stat;
148 schedule();
149 intr_set_status(old_status);
150 }
151
152 /*将线程thread解除阻塞*/
153 void thread_unblock(struct task_struct *thread)
154 {
155 enum intr_status old_status = intr_disable();
156 ASSERT(((thread->status == TASK_BLOCKED) || (thread->status == TASK_WAITING) || (thread->status == TASK_HANGING)));
157 if (thread->status != TASK_READY) {
158 ASSERT(!elem_find(&thread_ready_list, &thread->general_tag));
159 if (elem_find(&thread_ready_list, &thread->general_tag)) {
160 PANIC("thread_unblock: blocked thread in ready_list!\n");
161 }
162 list_push(&thread_ready_list, &thread->general_tag);
163 thread->status = TASK_READY;
164 }
165 intr_set_status(old_status);
166 }
1 #ifndef __KERNEL_THREAD_H
2 #define __KERNEL_THREAD_H
3 #include "stdint.h"
4 #include "list.h"
5 #include "memory.h"
6
7 /*自定义通用函数类型，它将在很多线程函数中作为形参类型*/
8 typedef void thread_func (void *);
9 #define PG_SIZE 4096
10 /*进程或线程的状态*/
11 enum task_status {
12 TASK_RUNNING,
13 TASK_READY,
14 TASK_BLOCKED,
15 TASK_WAITING,
16 TASK_HANGING,
17 TASK_DIED
18 };
19
20 /****************中断栈intr_stack****************/
21 struct intr_stack {
22 uint32_t vec_no;
23 uint32_t edi;
24 uint32_t esi;
25 uint32_t ebp;
26 uint32_t esp_dummy;
27 uint32_t ebx;
28 uint32_t edx;
29 uint32_t ecx;
30 uint32_t eax;
31 uint32_t gs;
32 uint32_t fs;
33 uint32_t es;
34 uint32_t ds;
35
36 /*以下由cpu从低特权级进入高特权级时压入*/
37 uint32_t err_code;
38 void (*eip)(void);
39 uint32_t cs;
40 uint32_t eflags;
41 void *esp;
42 uint32_t ss;
43 };
44
45 /***************线程栈thread_stack**********/
46 struct thread_stack
47 {
48 uint32_t ebp;
49 uint32_t ebx;
50 uint32_t edi;
51 uint32_t esi;
52
53 void (*eip) (thread_func *func, void *func_arg);
54 void (*unused_retaddr);
55 thread_func *function;
56 void *func_arg;
57 };
58
59 /************进程或者线程的pcb,程序控制块**********/
60 struct task_struct
61 {
62 uint32_t *self_kstack; //每个内核线程自己的内核栈
63 enum task_status status;
64 uint8_t priority;
65
66 char name[16];
67 uint8_t ticks; //每次在处理器上执行的时间滴答数
68
69 /*此任务自从上CPU运行至今占用了多少滴答数，也就是这个任务执行了多久时间*/
70 uint32_t elapsed_ticks;
71
72 /*general_tag的作用是用于线程在一般的队列中的节点*/
73 struct list_elem general_tag;
74
75 /*all_list_tag的作用是用于线程thread_all_list的节点*/
76 struct list_elem all_list_tag;
77
78 uint32_t *pgdir;//进程自己页表的虚拟地址
79
80 struct virtual_addr userprog_vaddr; //用户进程的虚拟地址池
81
82 uint32_t stack_magic;
83 };
84
85 void schedule(void);
86 struct task_struct *running_thread(void);
87 static void kernel_thread(thread_func *function, void *func_arg);
88 void init_thread(struct task_struct *pthread, char *name, int prio);
89 void thread_create(struct task_struct *pthread, thread_func function, void *func_arg);
90 struct task_struct *thread_start(char *name, int prio, thread_func function, void *func_arg);
91 static void make_main_thread(void);
92 void thread_init(void);
93 void thread_block(enum task_status stat);
94 void thread_unblock(struct task_struct *thread);
95
96
97 #endif
修改main.c文件，本来用户进程在执行前，是由操作系统的程序加载起将用户程序从文件系统直接读取到内存，再根据程序文件的格式解析其内容，将程序中的段展开到相应的内存地址。程序格式会记录程序的入口地址，CPU把CS:[E]IP指向它，该程序就被执行了，C语言虽然不能直接控制这两个寄存器，但是函数调用其实就是改变这两个寄存器的指向，故C语言编写的操作系统可以像调用函数那样调用执行用户程序。因此用户进程被加载到内存中后如同函数一样，仅仅是个指令区域，由于我们目前没有实现文件系统，前期我们用普通函数来代替用户程序，所以在main函数中我们新建了两个名为u_prog_a和u_prog_b的两个函数来作为进程执行的用户程序。在这两个程序中分别对test_var_a和test_var_b变量进行加1操作，由于用户态下的字符串打印函数我们还没实现，所以又新建两个内核线程k_thread_a和k_thread_b来打印这两个变量。
1 #include "print.h"
2 #include "debug.h"
3 #include "init.h"
4 #include "memory.h"
5 #include "thread.h"
6 #include "timer.h"
7 #include "list.h"
8 #include "interrupt.h"
9 #include "console.h"
10 #include "keyboard.h"
11 #include "ioqueue.h"
12 #include "process.h"
13
14 void k_thread_a(void *arg);
15 void k_thread_b(void *arg);
16 void u_prog_a(void);
17 void u_prog_b(void);
18 int test_var_a = 0, test_var_b = 0;
19 int main (void)
20 {
21 put_str("I am Kernel\n");
22 init_all();
23
24 thread_start("k_thread_a", 31, k_thread_a, "argA ");
25 thread_start("k_thread_b", 31, k_thread_b, "argB ");
26 process_execute(u_prog_a, "user_prog_a");
27 process_execute(u_prog_b, "user_prog_b");
28 intr_enable();
29
30 while (1);
31 return 0;
32 }
33
34 void u_prog_a(void)
35 {
36 while(1) {
37 test_var_a = *(int *)(0xc0006480);
38 }
39 }
40
41 void u_prog_b(void)
42 {
43 while(1) {
44 test_var_b++;
45 }
46 }
47
48 void k_thread_a(void *arg)
49 {
50 char *para = arg;
51 while (1) {
52 console_put_str("v_a:0x");
53 console_put_int(test_var_a);
54 console_put_str("\n");
55 }
56 }
57
58 void k_thread_b(void *arg)
59 {
60 char *para = arg;
61 while (1) {
62 console_put_str("v_b:0x");
63 console_put_int(test_var_b);
64 console_put_str("\n");
65 }
66 }
运行测试，可以看到基本正常。
五、原书勘误
这个地方我当初做到这里这一章节时，死活调不通。通过打断点，可以看到进入进程后，中断表有明显的异常。
在进程中，中断表的位置位于0x000063c0处，当然每个人的实际情况可能不太一样。总之明显不对，因为我们只给进程的页目录表映射了内核部分，很明显这个地址是没有被添加到页表中的。所以一旦发生了中断，CPU拿着这个中断表的地址去找中断描述符时就会报错，因为页表中没有记录这个位置的映射关系。
后面调试的时候发现其实是在实现中断代码那一章时，书上给的代码有误，原书第330页，如下:
黄色部分的代码是罪魁祸首，我测试了一下，在我的系统中idt被存放在虚拟地址0xc00063c0处，对应到物理地址就是0x000063c0处。经过上图这种移位操作后，最终得到的地址变成了虚拟地址0x000063c0，可以发现高16位被舍掉了。在我们还没有实现进程的时候，在内核线程的页表中0x000063c0和0xc00063c0这两个虚拟地址都是映射到0x000063c0这个物理地址的，所以我们前面并不会报错。但是到了进程，在我们进程的页表中，只有0xc00063c0这个虚拟地址映射到0x000063c0这个物理地址，而0x000063c0这个虚拟地址是没有被添加映射关系的，所以才会一执行就报错。所以将代码修改成如下就好了：
uint64_t idt_operand = (sizeof(idt) - 1) | ((uint64_t)(uint32_t)idt << 16);
好了，本回合就到此结束了。这一章知识量还是比较多的，代码也是很长的，我也是回味了很久。预知后事如何，请看下回分解。
