创建虚拟内存空间
内核链接
我们只需将最终得到的可执行文件直接链接到内核中即可。
这里的实现有一些技巧，我们先写一个编译脚本 build.rs。注意是直接放在项目文件夹 os 中，而不是源码文件夹 src：
// build.rs
use std::fs::File;
use std::io::{Result, Write};
fn main() {
println!("cargo:rerun-if-env-changed=USER_IMG");
if let Ok(user_img) = std::env::var("USER_IMG") {
println!("cargo:rerun-if-changed={}", user_img);
}
gen_link_user_asm().unwrap();
}
/// Generate assembly file for linking user image
fn gen_link_user_asm() -> Result<()> {
let mut f = File::create("src/link_user.S").unwrap();
let user_img = std::env::var("USER_IMG").unwrap();
writeln!(f, "# generated by build.rs - do not edit")?;
writeln!(f, r#"
.section .data
.global _user_img_start
.global _user_img_end
_user_img_start:
.incbin "{}"
_user_img_end:
"#, user_img)?;
Ok(())
}
然后在 init.rs 中加入：
// init.rs
global_asm!(include_str!("link_user.S"));
这段编译脚本会在每次编译的最开始运行。它的作用是生成一段汇编代码，将用户程序镜像文件原封不动地链接到内核的 段中。这段汇编被生成到 src/link_user.S 文件中，然后我们在 init.rs 里把它导入进来。此后可以在其它地方通过 _user_img_start 和 _user_img_end 这两个符号得知它所在的虚拟地址。
我们用一个环境变量 USER_IMG 记录用户程序镜像的路径，编译脚本在执行时，会将这个字符串填入生成的汇编中。所以我们只需在编译之前利用 export 修改环境变量 USER_IMG 为我们最终得到的可执行文件的路径即可。
最后让我们关注一开始的两条奇怪语句：
println!("cargo:rerun-if-env-changed=USER_IMG");
println!("cargo:rerun-if-changed={}", user_img);
这是编译脚本发送给构建工具 cargo 的特殊指令，含义是：当检测到环境变量 USER_IMG 或者它所指向的文件发生变化时，就强制重新编译。并且每次编译时，都会生成一个新的 link_user.S 文件。
这波操作要解决的问题是：由于编译器具有自动增量构建的特性，会导致当用户镜像发生变化时，编译器无法自动感知到，最后链接的还是以前的版本，使得我们不得不手动 cargo clean 清理干净中间产物后重新编译。
现在，我们每次更新完用户程序镜像后，都可以放心地直接 make run 了！
elf 文件解析与内存空间创建
为了能让用户程序运行起来，内核首先要给它分配内存空间，即创建一个虚拟内存空间供它使用。由于用户程序要通过中断访问内核的代码，因此它所在的虚拟内存空间必须也包含内核的各代码段和数据段。
elf 文件与只含有代码和数据的纯二进制文件不同，需要我们手动去解析它的文件结构来获得各段的信息。所幸的是， rust 已经有 crate 帮我们实现了这一点。
// Cargo.toml
[dependencies]
xmas-elf = "0.6"
// src/process/structs.rs
use xmas_elf::{
header,
program::{ Flags, SegmentData, Type },
ElfFile,
};
use crate::memory::memory_set::{
MemorySet,
handler::ByFrame,
attr::MemoryAttr,
};
use core::str;
trait ElfExt {
fn make_memory_set(&self) -> MemorySet;
}
// 给一个用户 elf 可执行程序创建虚拟内存空间
impl ElfExt for ElfFile<'_> {
fn make_memory_set(&self) -> MemorySet {
// MemorySet::new() 已经映射了内核各数据、代码段，以及物理内存段
// 于是我们只需接下来映射用户程序各段即可
let mut memory_set = MemorySet::new();
for ph in self.program_iter() {
// 遍历各段并依次尝试插入 memory_set
if ph.get_type() != Ok(Type::Load) {
continue;
}
let vaddr = ph.virtual_addr() as usize;
let mem_size = ph.mem_size() as usize;
let data = match ph.get_data(self).unwrap() {
SegmentData::Undefined(data) => data,
_ => unreachable!(),
};
// 这里在插入一个 MemoryArea 时还需要复制数据
// 所以我们将 MemorySet 的接口略作修改，最后一个参数为数据源
memory_set.push(
vaddr,
vaddr + mem_size,
ph.flags().to_attr(),
ByFrame::new(),
Some((data.as_ptr() as usize, data.len())),
);
}
memory_set
}
}
// 将 elf 段的标志转化为我们熟悉的 MemoryAttr
trait ToMemoryAttr {
fn to_attr(&self) -> MemoryAttr;
}
impl ToMemoryAttr for Flags {
fn to_attr(&self) -> MemoryAttr {
// 由于是用户程序，各段均首先设置为用户态
let mut flags = MemoryAttr::new().set_user();
if self.is_execute() {
flags = flags.set_execute();
}
flags
}
}
我们对 MemorySet 和 MemoryArea 的接口略作修改：
// src/memory/memory_set/mod.rs
impl MemorySet {
...
pub fn push(&mut self, start: usize, end: usize, attr: MemoryAttr, handler: impl MemoryHandler, data: Option<(usize, usize)>) {
assert!(start <= end, "invalid memory area!");
assert!(self.test_free_area(start, end), "memory area overlap!");
let area = MemoryArea::new(start, end, Box::new(handler), attr);
// 首先进行映射
area.map(&mut self.page_table);
if let Some((src, length)) = data {
// 如果传入了数据源
// 交给 area 进行复制
area.page_copy(&mut self.page_table, src, length);
}
self.areas.push(area);
}
pub fn token(&self) -> usize {
self.page_table.token()
}
}
// src/memory/memory_set/area.rs
impl MemoryArea {
...
pub fn page_copy(&self, pt: &mut PageTableImpl, src: usize, length: usize) {
let mut l = length;
let mut s = src;
for page in PageRange::new(self.start, self.end) {
// 交给 MemoryHandler 逐页进行复制
self.handler.page_copy(
pt,
page,
s,
if l < PAGE_SIZE { l } else { PAGE_SIZE },
);
s += PAGE_SIZE;
if l >= PAGE_SIZE { l -= PAGE_SIZE; }
}
}
}
// src/memory/memory_set/handler.rs
use crate::memory::access_pa_via_va;
use crate::consts::PAGE_SIZE;
pub trait MemoryHandler: Debug + 'static {
...
fn page_copy(&self, pt: &mut PageTableImpl, va: usize, src: usize, length: usize);
}
impl MemoryHandler for Linear {
...
fn page_copy(&self, pt: &mut PageTableImpl, va: usize, src: usize, length: usize) {
let pa = pt.get_entry(va)
.expect("get pa error!")
.0
.addr()
.as_usize();
assert!(va == access_pa_via_va(pa));
assert!(va == pa + self.offset);
unsafe {
let dst = core::slice::from_raw_parts_mut(
va as *mut u8,
PAGE_SIZE,
);
if length > 0 {
let src = core::slice::from_raw_parts(
src as *const u8,
PAGE_SIZE,
);
for i in 0..length { dst[i] = src[i]; }
}
for i in length..PAGE_SIZE { dst[i] = 0; }
}
}
}
impl MemoryHandler for ByFrame {
...
fn page_copy(&self, pt: &mut PageTableImpl, va: usize, src: usize, length: usize) {
let pa = pt.get_entry(va)
.expect("get pa error!")
.0
.addr()
.as_usize();
unsafe {
let dst = core::slice::from_raw_parts_mut(
access_pa_via_va(pa) as *mut u8,
PAGE_SIZE,
);
if length > 0 {
let src = core::slice::from_raw_parts(
src as *const u8,
PAGE_SIZE,
);
for i in 0..length { dst[i] = src[i]; }
}
for i in length..PAGE_SIZE { dst[i] = 0; }
}
}
}
// src/memory/paging.rs
// 这里有两处要改成 pub ，其他不必做改动
pub struct PageEntry(pub &'static mut PageTableEntry, Page);
impl PageTableImpl {
...
pub fn get_entry(&mut self, va: usize) -> Option<&mut PageEntry> {
let page = Page::of_addr(VirtAddr::new(va));
if let Ok(e) = self.page_table.ref_entry(page.clone()) {
let e = unsafe { &mut *(e as *mut PageTableEntry) };
self.entry = Some(PageEntry(e, page));
Some(self.entry.as_mut().unwrap())
}
else {
None
}
}
...
}
由于 MemorySet::push 的接口发生的变化，我们要将 ElfExt::make_memory_set 之外的所有 push 调用最后均加上一个 None 参数。
现在我们就可以从 ElfFile 创建用户程序的虚拟内存空间了。