新的内存管理模块 (#301)

  实现了具有优秀架构设计的新的内存管理模块，对内核空间和用户空间的内存映射、分配、释放、管理等操作进行了封装，使得内核开发者可以更加方便地进行内存管理。

  内存管理模块主要由以下类型的组件组成：

- **硬件抽象层（MemoryManagementArch）** - 提供对具体处理器架构的抽象，使得内存管理模块可以在不同的处理器架构上运行
- **页面映射器（PageMapper）**- 提供对虚拟地址和物理地址的映射，以及页表的创建、填写、销毁、权限管理等操作。分为两种类型：内核页表映射器（KernelMapper）和用户页表映射器（位于具体的用户地址空间结构中）
- **页面刷新器（PageFlusher）** - 提供对页表的刷新操作（整表刷新、单页刷新、跨核心刷新）
- **页帧分配器（FrameAllocator）** - 提供对页帧的分配、释放、管理等操作。具体来说，包括BumpAllocator、BuddyAllocator
- **小对象分配器** - 提供对小内存对象的分配、释放、管理等操作。指的是内核里面的SlabAllocator （SlabAllocator的实现目前还没有完成）
- **MMIO空间管理器** - 提供对MMIO地址空间的分配、管理操作。（目前这个模块待进一步重构）
- **用户地址空间管理机制** - 提供对用户地址空间的管理。
    - VMA机制 - 提供对用户地址空间的管理，包括VMA的创建、销毁、权限管理等操作
    - 用户映射管理 - 与VMA机制共同作用，管理用户地址空间的映射
- **系统调用层** - 提供对用户空间的内存管理系统调用，包括mmap、munmap、mprotect、mremap等
- **C接口兼容层** - 提供对原有的C代码的接口，是的C代码能够正常运行。


除上面的新增内容以外，其它的更改内容：
- 新增二进制加载器，以及elf的解析器
- 解决由于local_irq_save、local_irq_restore函数的汇编不规范导致影响栈行为的bug。
- 解决local_irq_save未关中断的错误。
- 修复sys_gettimeofday对timezone参数的处理的bug

kernel/src/smp/c_adapter.rs

@@ -0,0 +1,13 @@
+use super::kick_cpu;
+
+#[no_mangle]
+pub extern "C" fn rs_kick_cpu(cpu_id: usize) -> usize {
+    return kick_cpu(cpu_id)
+        .map(|_| 0usize)
+        .unwrap_or_else(|e| e.to_posix_errno() as usize);
+}
+
+#[no_mangle]
+pub unsafe extern "C" fn rs_smp_init_idle() {
+    crate::smp::init_smp_idle_process();
+}

kernel/src/smp/mod.rs

@@ -1,9 +1,11 @@
 use crate::{
-    arch::interrupt::ipi::send_ipi,
+    arch::{asm::current::current_pcb, interrupt::ipi::send_ipi},
     exception::ipi::{IpiKind, IpiTarget},
+    mm::INITIAL_PROCESS_ADDRESS_SPACE,
     syscall::SystemError,
 };
 
+pub mod c_adapter;
 pub mod core;
 
 pub fn kick_cpu(cpu_id: usize) -> Result<(), SystemError> {
@@ -13,9 +15,7 @@ pub fn kick_cpu(cpu_id: usize) -> Result<(), SystemError> {
     return Ok(());
 }
 
-#[no_mangle]
-pub extern "C" fn rs_kick_cpu(cpu_id: usize) -> usize {
-    return kick_cpu(cpu_id)
-        .map(|_| 0usize)
-        .unwrap_or_else(|e| e.to_posix_errno() as usize);
+/// 初始化AP核的idle进程
+pub unsafe fn init_smp_idle_process() {
+    current_pcb().set_address_space(INITIAL_PROCESS_ADDRESS_SPACE());
 }

kernel/src/smp/smp.c

@@ -14,6 +14,7 @@
 #include "ipi.h"
 
 static void __smp_kick_cpu_handler(uint64_t irq_num, uint64_t param, struct pt_regs *regs);
+static void __smp__flush_tlb_ipi_handler(uint64_t irq_num, uint64_t param, struct pt_regs *regs);
 
 static spinlock_t multi_core_starting_lock = {1}; // 多核启动锁
 
@@ -22,13 +23,22 @@ static uint32_t total_processor_num = 0;
 static int current_starting_cpu = 0;
 
 static int num_cpu_started = 1;
+extern void rs_smp_init_idle();
+
+// 在head.S中定义的，APU启动时，要加载的页表
+// 由于内存管理模块初始化的时候，重置了页表，因此我们要把当前的页表传给APU
+extern uint64_t __APU_START_CR3;
 
 // kick cpu 功能所使用的中断向量号
 #define KICK_CPU_IRQ_NUM 0xc8
+#define FLUSH_TLB_IRQ_NUM 0xc9
 
 void smp_init()
 {
     spin_init(&multi_core_starting_lock); // 初始化多核启动锁
+    // 设置多核启动时，要加载的页表
+    __APU_START_CR3 = (uint64_t)get_CR3();
+
     ul tmp_vaddr[MAX_SUPPORTED_PROCESSOR_NUM] = {0};
 
     apic_get_ics(ACPI_ICS_TYPE_PROCESSOR_LOCAL_APIC, tmp_vaddr, &total_processor_num);
@@ -57,6 +67,7 @@ void smp_init()
     kdebug("total_processor_num=%d", total_processor_num);
     // 注册接收kick_cpu功能的处理函数。（向量号200）
     ipi_regiserIPI(KICK_CPU_IRQ_NUM, NULL, &__smp_kick_cpu_handler, NULL, NULL, "IPI kick cpu");
+    ipi_regiserIPI(FLUSH_TLB_IRQ_NUM, NULL, &__smp__flush_tlb_ipi_handler, NULL, NULL, "IPI flush tlb");
 
     int core_to_start = 0;
     // total_processor_num = 3;
@@ -104,7 +115,7 @@ void smp_init()
         cpu_core_info[current_starting_cpu].tss_vaddr = (uint64_t)&initial_tss[current_starting_cpu];
 
         memset(&initial_tss[current_starting_cpu], 0, sizeof(struct tss_struct));
-
+        // kdebug("core %d, set tss", current_starting_cpu);
         set_tss_descriptor(10 + (current_starting_cpu * 2), (void *)(cpu_core_info[current_starting_cpu].tss_vaddr));
         io_mfence();
         set_tss64(
@@ -116,12 +127,14 @@ void smp_init()
             cpu_core_info[current_starting_cpu].ist_stack_start);
         io_mfence();
 
+        // kdebug("core %d, to send start up", current_starting_cpu);
         // 连续发送两次start-up IPI
         ipi_send_IPI(DEST_PHYSICAL, IDLE, ICR_LEVEL_DE_ASSERT, EDGE_TRIGGER, 0x20, ICR_Start_up, ICR_No_Shorthand,
                      proc_local_apic_structs[i]->local_apic_id);
         io_mfence();
         ipi_send_IPI(DEST_PHYSICAL, IDLE, ICR_LEVEL_DE_ASSERT, EDGE_TRIGGER, 0x20, ICR_Start_up, ICR_No_Shorthand,
                      proc_local_apic_structs[i]->local_apic_id);
+        // kdebug("core %d, send start up ok", current_starting_cpu);
     }
     io_mfence();
     while (num_cpu_started != (core_to_start + 1))
@@ -130,12 +143,7 @@ void smp_init()
     kinfo("Cleaning page table remapping...\n");
 
     // 由于ap处理器初始化过程需要用到0x00处的地址，因此初始化完毕后才取消内存地址的重映射
-    uint64_t *global_CR3 = get_CR3();
-    for (int i = 0; i < 256; ++i)
-    {
-        io_mfence();
-        *(ul *)(phys_2_virt(global_CR3) + i) = 0UL;
-    }
+    rs_unmap_at_low_addr();
     kdebug("init proc's preempt_count=%ld", current_pcb->preempt_count);
     kinfo("Successfully cleaned page table remapping!\n");
 }
@@ -149,8 +157,10 @@ void smp_ap_start()
 
     //  切换栈基地址
     //  uint64_t stack_start = (uint64_t)kmalloc(STACK_SIZE, 0) + STACK_SIZE;
-    __asm__ __volatile__("movq %0, %%rbp \n\t" ::"m"(cpu_core_info[current_starting_cpu].stack_start) : "memory");
-    __asm__ __volatile__("movq %0, %%rsp \n\t" ::"m"(cpu_core_info[current_starting_cpu].stack_start) : "memory");
+    __asm__ __volatile__("movq %0, %%rbp \n\t" ::"m"(cpu_core_info[current_starting_cpu].stack_start)
+                         : "memory");
+    __asm__ __volatile__("movq %0, %%rsp \n\t" ::"m"(cpu_core_info[current_starting_cpu].stack_start)
+                         : "memory");
 
     ksuccess("AP core %d successfully started!", current_starting_cpu);
     io_mfence();
@@ -164,7 +174,8 @@ void smp_ap_start()
     barrier();
     current_pcb->state = PROC_RUNNING;
     current_pcb->flags = PF_KTHREAD;
-    current_pcb->mm = &initial_mm;
+    current_pcb->address_space = NULL;
+    rs_smp_init_idle();
 
     list_init(&current_pcb->list);
     current_pcb->addr_limit = KERNEL_BASE_LINEAR_ADDR;
@@ -190,8 +201,9 @@ void smp_ap_start()
     preempt_disable(); // 由于ap处理器的pcb与bsp的不同，因此ap处理器放锁时，需要手动恢复preempt count
     io_mfence();
     current_pcb->flags |= PF_NEED_SCHED;
-    sti();
+
     apic_timer_ap_core_init();
+    sti();
     sched();
 
     while (1)
@@ -222,6 +234,12 @@ static void __smp_kick_cpu_handler(uint64_t irq_num, uint64_t param, struct pt_r
     sched();
 }
 
+static void __smp__flush_tlb_ipi_handler(uint64_t irq_num, uint64_t param, struct pt_regs *regs)
+{
+    if (user_mode(regs))
+        return;
+    flush_tlb();
+}
 
 /**
  * @brief 获取当前全部的cpu数目