DragonOS/kernel/src/mm/kernel_mapper.rs
LoGin 40fe15e095
新的内存管理模块 (#303)
  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

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Co-authored-by: kong <kongweichao@dragonos.org>
2023-07-22 16:27:02 +08:00

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use super::{page::PageFlags, PageTableKind, PhysAddr, VirtAddr};
use crate::{
arch::{
asm::irqflags::{local_irq_restore, local_irq_save},
mm::{LockedFrameAllocator, PageMapper},
},
libs::align::page_align_up,
mm::allocator::page_frame::PageFrameCount,
mm::{MMArch, MemoryManagementArch},
smp::core::smp_get_processor_id,
syscall::SystemError,
};
use core::{
ops::Deref,
sync::atomic::{compiler_fence, AtomicUsize, Ordering},
};
/// 标志当前没有处理器持有内核映射器的锁
/// 之所以需要这个标志是因为AtomicUsize::new(0)会把0当作一个处理器的id
const KERNEL_MAPPER_NO_PROCESSOR: usize = !0;
/// 当前持有内核映射器锁的处理器
static KERNEL_MAPPER_LOCK_OWNER: AtomicUsize = AtomicUsize::new(KERNEL_MAPPER_NO_PROCESSOR);
/// 内核映射器的锁计数器
static KERNEL_MAPPER_LOCK_COUNT: AtomicUsize = AtomicUsize::new(0);
pub struct KernelMapper {
/// 内核空间映射器
mapper: PageMapper,
/// 标记当前映射器是否为只读
readonly: bool,
}
impl KernelMapper {
fn lock_cpu(cpuid: usize, mapper: PageMapper) -> Self {
loop {
match KERNEL_MAPPER_LOCK_OWNER.compare_exchange_weak(
KERNEL_MAPPER_NO_PROCESSOR,
cpuid,
Ordering::Acquire,
Ordering::Relaxed,
) {
Ok(_) => break,
// 当前处理器已经持有了锁
Err(id) if id == cpuid => break,
// either CAS failed, or some other hardware thread holds the lock
Err(_) => core::hint::spin_loop(),
}
}
let prev_count = KERNEL_MAPPER_LOCK_COUNT.fetch_add(1, Ordering::Relaxed);
compiler_fence(Ordering::Acquire);
// 本地核心已经持有过锁,因此标记当前加锁获得的映射器为只读
let readonly = prev_count > 0;
return Self { mapper, readonly };
}
/// @brief 锁定内核映射器, 并返回一个内核映射器对象
#[inline(always)]
pub fn lock() -> Self {
let cpuid = smp_get_processor_id() as usize;
let mapper = unsafe { PageMapper::current(PageTableKind::Kernel, LockedFrameAllocator) };
return Self::lock_cpu(cpuid, mapper);
}
/// @brief 获取内核映射器的page mapper的可变引用。如果当前映射器为只读则返回 None
#[inline(always)]
pub fn as_mut(&mut self) -> Option<&mut PageMapper> {
if self.readonly {
return None;
} else {
return Some(&mut self.mapper);
}
}
/// @brief 获取内核映射器的page mapper的不可变引用
#[inline(always)]
pub fn as_ref(&self) -> &PageMapper {
return &self.mapper;
}
/// 映射一段物理地址到指定的虚拟地址。
///
/// ## 参数
///
/// - `vaddr`: 要映射的虚拟地址
/// - `paddr`: 要映射的物理地址
/// - `size`: 要映射的大小(字节,必须是页大小的整数倍,否则会向上取整)
/// - `flags`: 页面标志
/// - `flush`: 是否刷新TLB
///
/// ## 返回
///
/// - 成功返回Ok(())
/// - 失败: 如果当前映射器为只读则返回EAGAIN_OR_EWOULDBLOCK
pub unsafe fn map_phys_with_size(
&mut self,
mut vaddr: VirtAddr,
mut paddr: PhysAddr,
size: usize,
flags: PageFlags<MMArch>,
flush: bool,
) -> Result<(), SystemError> {
if self.readonly {
return Err(SystemError::EAGAIN_OR_EWOULDBLOCK);
}
let count = PageFrameCount::new(page_align_up(size) / MMArch::PAGE_SIZE);
// kdebug!("kernel mapper: map_phys: vaddr: {vaddr:?}, paddr: {paddr:?}, count: {count:?}, flags: {flags:?}");
for _ in 0..count.data() {
let flusher = self.mapper.map_phys(vaddr, paddr, flags).unwrap();
if flush {
flusher.flush();
}
vaddr += MMArch::PAGE_SIZE;
paddr += MMArch::PAGE_SIZE;
}
return Ok(());
}
}
impl Drop for KernelMapper {
fn drop(&mut self) {
// 为了防止fetch_sub和store之间由于中断导致store错误清除了owner导致错误因此需要关中断。
let flags = local_irq_save();
let prev_count = KERNEL_MAPPER_LOCK_COUNT.fetch_sub(1, Ordering::Relaxed);
if prev_count == 1 {
KERNEL_MAPPER_LOCK_OWNER.store(KERNEL_MAPPER_NO_PROCESSOR, Ordering::Release);
}
local_irq_restore(flags);
compiler_fence(Ordering::Release);
}
}
impl Deref for KernelMapper {
type Target = PageMapper;
fn deref(&self) -> &Self::Target {
return self.as_ref();
}
}