初始化ch3-coop

ch3-coop/os/Cargo.toml

@@ -0,0 +1,14 @@
+[package]
+name = "os"
+version = "0.1.0"
+edition = "2021"
+
+# See more keys and their definitions at https://doc.rust-lang.org/cargo/reference/manifest.html
+
+# 设置release模式下保存调试信息
+[profile.release]
+debug=true
+
+[dependencies]
+riscv = { git = "https://github.com/rcore-os/riscv", features = ["inline-asm"] }
+lazy_static = { version = "1.4.0", features = ["spin_no_std"] }

ch3-coop/os/Makefile

@@ -0,0 +1,51 @@
+TARGET := riscv64gc-unknown-none-elf
+KERNEL_ENTRY := 0x80200000
+MODE := release
+KERNEL_ELF := target/$(TARGET)/$(MODE)/os
+KERNEL_BIN := $(KERNEL_ELF).bin
+SYMBOL_MAP := target/system.map
+QEMU_CMD_PATH := /Users/zhangxinyu/Downloads/qemu-7.0.0/build/qemu-system-riscv64
+QEMU_PID = $(shell ps aux | grep "[q]emu-system' | awk '{print $$2}")
+OBJDUMP := rust-objdump --arch-name=riscv64
+OBJCOPY := rust-objcopy --binary-architecture=riscv64
+
+RUST_FLAGS := -Clink-arg=-Tsrc/linker.ld  # 使用我们自己的链接脚本
+RUST_FLAGS += -Cforce-frame-pointers=yes  # 强制编译器生成帧指针
+RUST_FLAGS:=$(strip ${RUST_FLAGS})
+
+# 编译elf文件
+build_elf: clean
+	CARGO_BUILD_RUSTFLAGS="$(RUST_FLAGS)" \
+ 	cargo build --$(MODE) --target=$(TARGET)
+
+# 导出一个符号表, 供我们查看
+$(SYMBOL_MAP):build_elf
+	nm $(KERNEL_ELF) | sort > $(SYMBOL_MAP)
+
+# 丢弃内核可执行elf文件中的元数据得到内核镜像
+$(KERNEL_BIN): build_elf
+	@$(OBJCOPY) $(KERNEL_ELF) --strip-all -O binary $@
+
+
+debug:build_elf $(KERNEL_BIN) $(SYMBOL_MAP)
+	$(QEMU_CMD_PATH) \
+		-machine virt \
+		-display none \
+		-daemonize \
+		-bios ../../bootloader/rustsbi-qemu.bin \
+		-device loader,file=$(KERNEL_BIN),addr=$(KERNEL_ENTRY) \
+		-s -S
+
+run:build_elf $(KERNEL_BIN) $(SYMBOL_MAP) kill
+	$(QEMU_CMD_PATH) \
+		-machine virt \
+		-nographic \
+		-bios ../../bootloader/rustsbi-qemu.bin \
+		-device loader,file=$(KERNEL_BIN),addr=$(KERNEL_ENTRY)
+
+clean:
+	rm -rf ./target* && rm -rf ./src/link_app.S
+
+kill:
+	-kill -9 $(QEMU_PID)
+

ch3-coop/os/build.rs

@@ -0,0 +1,69 @@
+use std::fs::{read_dir, File};
+use std::io::{Result, Write};
+
+fn main() {
+    println!("cargo:rerun-if-changed=../user/src/");
+    println!("cargo:rerun-if-changed={}", TARGET_PATH);
+    insert_app_data().unwrap();
+}
+
+static TARGET_PATH: &str = "../user/target/riscv64gc-unknown-none-elf/release/";
+
+fn insert_app_data() -> Result<()> {
+    let mut f = File::create("src/link_app.S").unwrap();
+    let mut apps: Vec<_> = read_dir("../user/src/bin")
+        .unwrap()
+        .into_iter()
+        .map(|dir_entry| {
+            let mut name_with_ext = dir_entry.unwrap().file_name().into_string().unwrap();
+            name_with_ext.drain(name_with_ext.find('.').unwrap()..name_with_ext.len());
+            name_with_ext
+        })
+        .collect();
+    apps.sort();
+
+
+    ///
+    ///     .align 3   表示接下来的数据或代码 使用2^3 8字节对齐
+    ///     .section .data  下面属于data段
+    ///     .global _num_app  定义一个全局符号 _num_app
+    /// _num_app:  _num_app的位置的数据
+    ///     .quad 5  用来当做matedata  8字节的整数 表示有5个元素
+    ///     .quad app_0_start  依次存储每个app的开始的位置
+    ///     .quad app_1_start
+    ///     .quad app_2_start
+    ///     .quad app_3_start
+    ///     .quad app_4_start
+    ///     .quad app_4_end
+    writeln!(
+        f,
+        r#"
+    .align 3
+    .section .data
+    .global _num_app
+_num_app:
+    .quad {}"#,
+        apps.len()
+    )?;
+
+    for i in 0..apps.len() {
+        writeln!(f, r#"    .quad app_{}_start"#, i)?;
+    }
+    writeln!(f, r#"    .quad app_{}_end"#, apps.len() - 1)?;
+
+    for (idx, app) in apps.iter().enumerate() {
+        println!("app_{}: {}", idx, app);
+        writeln!(
+            f,
+            r#"
+    .section .data
+    .global app_{0}_start
+    .global app_{0}_end
+app_{0}_start:
+    .incbin "{2}{1}.bin"
+app_{0}_end:"#,
+            idx, app, TARGET_PATH
+        )?;
+    }
+    Ok(())
+}

ch3-coop/os/src/batch.rs

@@ -0,0 +1,136 @@
+use core::arch::asm;
+use lazy_static::*;
+use riscv::register::mcause::Trap;
+use crate::println;
+use crate::sync::UPSafeCell;
+use crate::trap::TrapContext;
+
+const USER_STACK_SIZE: usize = 4096 * 2;  // 栈大小为8kb
+const KERNEL_STACK_SIZE: usize = 4096 * 2;
+
+const MAX_APP_NUM: usize = 16;  // 系统最大支持的运行程序数量
+
+const APP_BASE_ADDRESS: usize = 0x80400000;  // 载入的app的起始的地址
+const APP_SIZE_LIMIT: usize = 0x20000;  // app的最大的二进制文件能够使用的大小
+
+// 在此之后  应用使用UserStack, 而内核使用KernelStack, entry.asm设置的64k启动栈不再被使用(首次运行run_next_app时被接管了 mv sp, a0)
+// KERNEL_STACK 保存的是 Trap Context
+
+static KERNEL_STACK: [u8; KERNEL_STACK_SIZE] = [0; KERNEL_STACK_SIZE];
+static USER_STACK: [u8; USER_STACK_SIZE] = [0; USER_STACK_SIZE];
+
+lazy_static! {
+    static ref APP_MANAGER: UPSafeCell<AppManager> = unsafe {
+        UPSafeCell::new({
+            extern "C" {
+                fn _num_app();
+            }
+            let num_app_ptr = _num_app as usize as *const usize;
+            let num_app = num_app_ptr.read_volatile();  // 用户app的总数量
+
+            let mut app_start_lis: [usize; MAX_APP_NUM + 1] = [0; MAX_APP_NUM + 1];  // 创建一个数组, 用来保存每个app的起始位置
+
+            // 得到每个app的起始地址
+            let mut app_start_lis: [usize; MAX_APP_NUM + 1] = [0; MAX_APP_NUM + 1];
+            let app_start_raw: &[usize] =
+                core::slice::from_raw_parts(num_app_ptr.add(1), num_app + 1);
+            app_start_lis[..=num_app].copy_from_slice(app_start_raw);
+
+            AppManager{
+                num_app,
+                current_app: 0,
+                app_start_lis
+            }
+        })
+    };
+}
+
+// 由build.rs 生成的link_app.S, 根据里面的信息生成的结构体
+struct AppManager {
+    num_app: usize,  // 用户app数量
+    current_app: usize,  // 当前需要执行的第几个app
+    app_start_lis: [usize; MAX_APP_NUM + 1],  // 保存了每个app的起始位置, 后面会跳到这里, +1 是因为end的位置也占了一个usize, 需要知道end的位置
+}
+
+impl AppManager{
+    fn show_app_info(&self){
+        println!("[kernel] num_app = {}", self.num_app);
+        for i in 0..self.num_app {
+            println!(
+                "[kernel] app_{} ({:#x}, {:#x})",
+                i,
+                self.app_start_lis[i],
+                self.app_start_lis[i + 1]
+            );
+        }
+    }
+
+    // 把app_idx位置的app 加载到指定的内存APP_BASE_ADDRESS位置
+    unsafe fn load_app(&self, app_idx: usize){
+        if app_idx >= self.num_app{
+            panic!("All applications completed!")
+        }
+        // 清空app执行区域的内存
+        core::slice::from_raw_parts_mut(APP_BASE_ADDRESS as *mut u8, APP_SIZE_LIMIT).fill(0);
+
+        // 得到指定app_idx位置的数据(下一个位置的开始 - 需要运行app的开始 = 需要运行app的内存大小
+        let app_src = core::slice::from_raw_parts(self.app_start_lis[app_idx] as *const u8,
+                                                  self.app_start_lis[app_idx + 1] - self.app_start_lis[app_idx]);
+
+        // 把app的代码 copy到指定的运行的区域
+        let app_len = app_src.len();
+        if app_len > APP_SIZE_LIMIT {
+            panic!("app memory overrun!")
+        }
+        core::slice::from_raw_parts_mut(APP_BASE_ADDRESS as *mut u8, app_len)
+            .copy_from_slice(app_src);
+
+        // 刷新cache
+        asm!("fence.i");
+    }
+
+}
+
+
+pub fn init() {
+    APP_MANAGER.exclusive_access().show_app_info();
+}
+
+pub fn run_next_app() -> ! {
+    // 运行一个新的app
+    // 把需要执行的指定app, 加载到执行位置APP_BASE_ADDRESS
+    // app_manager 需要drop 或者在一个作用域中, 因为这个函数不会返回, 后面直接进入用户态了
+    {
+        let mut app_manager = APP_MANAGER.exclusive_access();
+        unsafe{
+            app_manager.load_app(app_manager.current_app);
+
+            println!("------------- run_next_app load app {}", app_manager.current_app);
+        }
+        app_manager.current_app += 1;
+    }
+
+    extern "C" {
+        fn __restore(trap_context_ptr: usize);
+    }
+
+    unsafe {
+        // 得到用户栈的栈顶
+        let user_stack_top = USER_STACK.as_ptr() as usize + USER_STACK_SIZE;
+        // 得到用户trap的上下文以及寄存器状态
+        let user_trap_context = TrapContext::app_init_context(APP_BASE_ADDRESS, user_stack_top);
+
+        // 把用户trap copy到内核栈
+        let kernel_stack_top = KERNEL_STACK.as_ptr() as usize + KERNEL_STACK_SIZE;  // 现在栈顶和栈底都在一个内存位置
+        // 为trap context 分配栈空间
+        let kernel_trap_context_ptr = (kernel_stack_top - core::mem::size_of::<TrapContext>()) as * mut TrapContext;
+
+        unsafe {
+            // 把user_trap_context copy到内核栈顶
+            *kernel_trap_context_ptr = user_trap_context;
+            // 返回现在的内核栈顶
+            __restore(kernel_trap_context_ptr as *const _ as usize);
+        }
+    }
+    panic!("Unreachable in batch::run_current_app!");
+}

ch3-coop/os/src/entry.asm

@@ -0,0 +1,15 @@
+.section .text.entry
+.globl _start  // 声明_start是全局符号
+_start:
+    la sp, boot_stack_top_bound
+    call rust_main
+
+
+
+// 声明栈空间 后续 .bss.stack 会被link脚本链接到 .bss段
+    .section .bss.stack
+    .globl boot_stack_lower_bound  // 栈低地址公开为全局符号
+    .globl boot_stack_top_bound  // 栈高地址公开为全局符号
+boot_stack_lower_bound:
+    .space 4096 * 16
+boot_stack_top_bound:

ch3-coop/os/src/lang_items.rs

@@ -0,0 +1,2 @@
+pub mod panic;
+pub mod console;

ch3-coop/os/src/lang_items/console.rs

@@ -0,0 +1,33 @@
+
+use crate::sbi::console_put_char;
+use core::fmt::{self, Write};
+
+struct Stdout;
+
+impl Write for Stdout{
+    fn write_str(&mut self, s: &str) -> fmt::Result {
+        for c in s.chars() {
+            console_put_char(c as usize);
+        }
+        Ok(())
+    }
+}
+
+// 用函数包装一下, 表示传进来的参数满足Arguments trait, 然后供宏调用
+pub fn print(args: fmt::Arguments) {
+    Stdout.write_fmt(args).unwrap();
+}
+
+#[macro_export]  // 导入这个文件即可使用这些宏
+macro_rules! print {
+    ($fmt: literal $(, $($arg: tt)+)?) => {
+        $crate::console::print(format_args!($fmt $(, $($arg)+)?));
+    }
+}
+
+#[macro_export]
+macro_rules! println {
+    ($fmt: literal $(, $($arg: tt)+)?) => {
+        $crate::console::print(format_args!(concat!($fmt, "\n") $(, $($arg)+)?));
+    }
+}

ch3-coop/os/src/lang_items/panic.rs

@@ -0,0 +1,18 @@
+use core::panic::PanicInfo;
+use crate::println;
+use crate::sbi::shutdown;
+
+#[panic_handler]
+fn panic(info: &PanicInfo) -> ! {
+    if let Some(location) = info.location() {
+        println!(
+            "Panicked at {}:{} {}",
+            location.file(),
+            location.line(),
+            info.message().unwrap()
+        );
+    } else {
+        println!("Panicked: {}", info.message().unwrap());
+    }
+    shutdown();
+}

ch3-coop/os/src/link_app.S

@@ -0,0 +1,47 @@
+
+    .align 3
+    .section .data
+    .global _num_app
+_num_app:
+    .quad 5
+    .quad app_0_start
+    .quad app_1_start
+    .quad app_2_start
+    .quad app_3_start
+    .quad app_4_start
+    .quad app_4_end
+
+    .section .data
+    .global app_0_start
+    .global app_0_end
+app_0_start:
+    .incbin "../user/target/riscv64gc-unknown-none-elf/release/00hello_world.bin"
+app_0_end:
+
+    .section .data
+    .global app_1_start
+    .global app_1_end
+app_1_start:
+    .incbin "../user/target/riscv64gc-unknown-none-elf/release/01store_fault.bin"
+app_1_end:
+
+    .section .data
+    .global app_2_start
+    .global app_2_end
+app_2_start:
+    .incbin "../user/target/riscv64gc-unknown-none-elf/release/02power.bin"
+app_2_end:
+
+    .section .data
+    .global app_3_start
+    .global app_3_end
+app_3_start:
+    .incbin "../user/target/riscv64gc-unknown-none-elf/release/03priv_inst.bin"
+app_3_end:
+
+    .section .data
+    .global app_4_start
+    .global app_4_end
+app_4_start:
+    .incbin "../user/target/riscv64gc-unknown-none-elf/release/04priv_csr.bin"
+app_4_end:

ch3-coop/os/src/linker.ld

@@ -0,0 +1,48 @@
+OUTPUT_ARCH(riscv)  /* 目标平台 */
+ENTRY(_start)  /* 设置程序入口点为entry.asm中定义的全局符号 */
+BASE_ADDRESS = 0x80200000;  /* 一个常量, 我们的kernel将来加载到这个物理地址 */
+
+SECTIONS
+{
+    . = BASE_ADDRESS;  /* 我们对 . 进行赋值, 调整接下来的段的开始位置放在我们定义的常量出 */
+/*    skernel = .;*/
+
+    stext = .;  /* .text段的开始位置 */
+    .text : {  /* 表示生成一个为 .text的段, 花括号内按照防止顺序表示将输入文件中的哪些段放在 当前.text段中 */
+        *(.text.entry)  /* entry.asm中, 我们自己定义的.text.entry段, 被放在顶部*/
+        *(.text .text.*)
+    }
+
+    . = ALIGN(4K);
+    etext = .;
+    srodata = .;
+    .rodata : {
+        *(.rodata .rodata.*)
+        *(.srodata .srodata.*)
+    }
+
+    . = ALIGN(4K);
+    erodata = .;
+    sdata = .;
+    .data : {
+        *(.data .data.*)
+        *(.sdata .sdata.*)
+    }
+
+    . = ALIGN(4K);
+    edata = .;
+    .bss : {
+        *(.bss.stack)  /* 全局符号 sbss 和 ebss 分别指向 .bss 段除 .bss.stack 以外的起始和终止地址(.bss.stack是我们在entry.asm中定义的栈) */
+        sbss = .;
+        *(.bss .bss.*)
+        *(.sbss .sbss.*)
+    }
+
+    . = ALIGN(4K);
+    ebss = .;
+    ekernel = .;
+
+    /DISCARD/ : {
+        *(.eh_frame)
+    }
+}

ch3-coop/os/src/main.rs

@@ -0,0 +1,50 @@
+#![feature(panic_info_message)]
+#![no_std]
+#![no_main]
+
+use core::arch::global_asm;
+use sbi::{console_put_char, shutdown};
+use lang_items::console;
+
+pub mod lang_items;
+pub mod sbi;
+pub mod batch;
+pub mod sync;
+pub mod trap;
+pub mod syscall;
+
+// 汇编脚本引入, 调整内核的内存布局之后, 会跳入到 rust_main中执行
+global_asm!(include_str!("entry.asm"));
+
+// 引入用户的二进制文件
+global_asm!(include_str!("link_app.S"));
+
+extern "C" {
+    fn stext();
+    fn etext();
+    fn sbss();
+    fn ebss();
+    fn boot_stack_top_bound();
+    fn boot_stack_lower_bound();
+}
+
+#[no_mangle]
+pub fn rust_main(){
+    init_bss();
+
+    println!("stext: {:#x}, etext: {:#x}", stext as usize, etext as usize);
+    println!("sbss: {:#x}, ebss: {:#x}", sbss as usize, ebss as usize);
+    println!("boot_stack_top_bound: {:#x}, boot_stack_lower_bound: {:#x}", boot_stack_top_bound as usize, boot_stack_lower_bound as usize);
+
+    trap::init();
+    batch::init();
+    batch::run_next_app();
+}
+
+/// ## 初始化bss段
+///
+fn init_bss() {
+    unsafe {
+        (sbss as usize..ebss as usize).for_each(|p| (p as *mut u8).write_unaligned(0))
+    }
+}

ch3-coop/os/src/sbi.rs

@@ -0,0 +1,40 @@
+use core::arch::asm;
+
+// legacy extensions: ignore fid
+const SBI_SET_TIMER: usize = 0;
+const SBI_CONSOLE_PUTCHAR: usize = 1;
+const SBI_CONSOLE_GETCHAR: usize = 2;
+const SBI_CLEAR_IPI: usize = 3;
+const SBI_SEND_IPI: usize = 4;
+const SBI_REMOTE_FENCE_I: usize = 5;
+const SBI_REMOTE_SFENCE_VMA: usize = 6;
+const SBI_REMOTE_SFENCE_VMA_ASID: usize = 7;
+
+// system reset extension
+const SRST_EXTENSION: usize = 0x53525354;
+const SBI_SHUTDOWN: usize = 0;
+
+#[inline(always)]
+fn sbi_call(eid: usize, fid: usize, arg0: usize, arg1: usize, arg2: usize) -> usize {
+    let mut ret;
+    unsafe {
+        asm!(
+        "ecall",
+        inlateout("x10") arg0 => ret,
+        in("x11") arg1,
+        in("x12") arg2,
+        in("x16") fid,
+        in("x17") eid,
+        );
+    }
+    ret
+}
+
+pub fn console_put_char(c: usize) {
+    sbi_call(SBI_CONSOLE_PUTCHAR, 0, c, 0, 0);
+}
+
+pub fn shutdown() -> ! {
+    sbi_call(SRST_EXTENSION, SBI_SHUTDOWN, 0, 0, 0);
+    panic!("It should shutdown!")
+}

ch3-coop/os/src/sync/mod.rs

@@ -0,0 +1,4 @@
+//! Synchronization and interior mutability primitives
+
+mod up;
+pub use up::UPSafeCell;

ch3-coop/os/src/sync/up.rs

@@ -0,0 +1,31 @@
+//! Uniprocessor interior mutability primitives
+
+use core::cell::{RefCell, RefMut};
+
+/// Wrap a static data structure inside it so that we are
+/// able to access it without any `unsafe`.
+///
+/// We should only use it in uniprocessor.
+///
+/// In order to get mutable reference of inner data, call
+/// `exclusive_access`.
+pub struct UPSafeCell<T> {
+    /// inner data
+    inner: RefCell<T>,
+}
+
+unsafe impl<T> Sync for UPSafeCell<T> {}
+
+impl<T> UPSafeCell<T> {
+    /// User is responsible to guarantee that inner struct is only used in
+    /// uniprocessor.
+    pub unsafe fn new(value: T) -> Self {
+        Self {
+            inner: RefCell::new(value),
+        }
+    }
+    /// Exclusive access inner data in UPSafeCell. Panic if the data has been borrowed.
+    pub fn exclusive_access(&self) -> RefMut<'_, T> {
+        self.inner.borrow_mut()
+    }
+}

ch3-coop/os/src/syscall/fs.rs

@@ -0,0 +1,20 @@
+//! File and filesystem-related syscalls
+
+use crate::print;
+
+const FD_STDOUT: usize = 1;
+
+/// write buf of length `len`  to a file with `fd`
+pub fn sys_write(fd: usize, buf: *const u8, len: usize) -> isize {
+    match fd {
+        FD_STDOUT => {
+            let slice = unsafe { core::slice::from_raw_parts(buf, len) };
+            let str = core::str::from_utf8(slice).unwrap();
+            print!("{}", str);
+            len as isize
+        }
+        _ => {
+            panic!("Unsupported fd in sys_write!");
+        }
+    }
+}

ch3-coop/os/src/syscall/mod.rs

@@ -0,0 +1,17 @@
+const SYSCALL_WRITE: usize = 64;
+const SYSCALL_EXIT: usize = 93;
+
+mod fs;
+mod process;
+
+use fs::*;
+use process::*;
+
+/// 根据syscall_id 进行分发
+pub fn syscall(syscall_id: usize, args: [usize; 3]) -> isize {
+    match syscall_id {
+        SYSCALL_WRITE => sys_write(args[0], args[1] as *const u8, args[2]),
+        SYSCALL_EXIT => sys_exit(args[0] as i32),
+        _ => panic!("Unsupported syscall_id: {}", syscall_id),
+    }
+}

ch3-coop/os/src/syscall/process.rs

@@ -0,0 +1,9 @@
+//! App management syscalls
+use crate::batch::run_next_app;
+use crate::println;
+
+/// 任务退出, 并立即切换任务
+pub fn sys_exit(exit_code: i32) -> ! {
+    println!("[kernel] Application exited with code {}", exit_code);
+    run_next_app()
+}

ch3-coop/os/src/trap/context.rs

@@ -0,0 +1,40 @@
+use riscv::register::sstatus::{self, Sstatus, SPP};
+
+/// Trap Context
+#[repr(C)]
+pub struct TrapContext {
+    /// 保存了 [0..31] 号寄存器, 其中0/2/4 号寄存器我们不保存, 2有特殊用途
+    /// > 其中 [17] 号寄存器保存的是系统调用号
+    ///
+    /// > [10]/[11]/[12] 寄存器保存了系统调用时的3个参数
+    ///
+    /// > [2] 号寄存器因为我们有特殊用途所以也跳过保存, (保存了用户栈)保存了用户 USER_STACK 的 栈顶
+    ///
+    /// > [0] 被硬编码为了0, 不会有变化, 不需要做任何处理
+    ///
+    /// > [4] 除非特殊用途使用它, 一般我们也用不到, 不需要做任何处理
+    pub x: [usize; 32],
+    /// CSR sstatus  保存的是在trap发生之前, cpu处在哪一个特权级
+    pub sstatus: Sstatus,
+    /// CSR sepc  保存的是用户态ecall时 所在的那一行的代码
+    pub sepc: usize,
+}
+
+impl TrapContext {
+    /// 把用户栈的栈顶 保存到 [2]
+    pub fn set_sp(&mut self, sp: usize) {
+        self.x[2] = sp;
+    }
+    /// init app context
+    pub fn app_init_context(entry: usize, sp: usize) -> Self {
+        let mut sstatus = sstatus::read();  // 读取CSR sstatus
+        sstatus.set_spp(SPP::User);  // 设置特权级为用户模式
+        let mut cx = Self {
+            x: [0; 32],
+            sstatus,
+            sepc: entry, // 设置代码执行的开头, 将来条入到这里执行
+        };
+        cx.set_sp(sp); // 设置用户栈的栈顶
+        cx  // 返回, 外面会恢复完 x[0; 32] 之后最后 sret 根据entry和sstatus 返回
+    }
+}

ch3-coop/os/src/trap/mod.rs

@@ -0,0 +1,66 @@
+mod context;
+
+use core::arch::global_asm;
+use riscv::register::{
+    mtvec::TrapMode,
+    scause::{self, Exception, Trap},
+    stval, stvec,
+};
+pub use context::TrapContext;
+use crate::batch::run_next_app;
+use crate::println;
+use crate::syscall::syscall;
+
+
+
+// 引入陷入保存寄存器需要的汇编代码
+global_asm!(include_str!("trap.S"));
+
+/// 初始化stvec 寄存器, 这个寄存器保存陷入时, 入口函数的地址
+pub fn init() {
+    extern "C" {
+        fn __alltraps();
+    }
+    unsafe {
+        stvec::write(__alltraps as usize, TrapMode::Direct);
+    }
+}
+
+
+// 这个函数是 trap.S 中__alltraps 保存完所有寄存器在内核栈 之后会进入到这里
+#[no_mangle]
+pub fn trap_handler(trap_context: &mut TrapContext) -> &mut TrapContext {
+    let scause = scause::read(); // trap 发生的原因
+    let stval = stval::read(); // trap的附加信息
+
+    // 根据发生的原因判断是那种类别
+    match scause.cause() {
+        // 用户态发出的系统调用
+        Trap::Exception(Exception::UserEnvCall) => {
+            trap_context.sepc += 4;  // +4 是因为我们需要返回 ecall指令的下一个指令
+            trap_context.x[10] = syscall(trap_context.x[17], [trap_context.x[10], trap_context.x[11], trap_context.x[12]]) as usize;
+        }
+        // 访问不允许的内存
+        Trap::Exception(Exception::StoreFault) | Trap::Exception(Exception::StorePageFault) => {
+            println!("[kernel] PageFault in application, kernel killed it.");
+            run_next_app();
+        }
+        // 非法指令
+        Trap::Exception(Exception::IllegalInstruction) => {
+            println!("[kernel] IllegalInstruction in application, kernel killed it.");
+            run_next_app();
+        }
+        // 未知错误
+        _ => {
+            panic!(
+                "Unsupported trap {:?}, stval = {:#x}!",
+                scause.cause(),
+                stval
+            );
+        }
+    }
+    trap_context
+}
+
+
+

ch3-coop/os/src/trap/trap.S

@@ -0,0 +1,73 @@
+# trap进入处理函数的入口__alltraps, 以及第一次进入时的出口__restore
+
+.altmacro
+.macro SAVE_GP n
+    sd x\n, \n*8(sp)    # 将寄存器 x_n 的值保存到栈空间中
+.endm
+.macro LOAD_GP n
+    ld x\n, \n*8(sp)    # 从栈空间中加载寄存器 x_n 的值
+.endm
+.section .text        # 进入 .text 段
+.globl __alltraps     # 声明全局符号 __alltraps
+.globl __restore      # 声明全局符号 __restore
+.align 2               # 对齐到 2^2 = 4 字节
+
+__alltraps:           # __alltraps 符号的实现
+    csrrw sp, sscratch, sp   # 交换 sp 和 sscratch 寄存器的值
+    # 现在 sp 指向内核栈，sscratch 指向用户栈
+    # 在内核栈上分配一个 TrapContext
+    addi sp, sp, -34*8      # 分配 34*8 字节的空间
+    # 保存通用寄存器
+    sd x1, 1*8(sp)          # 保存寄存器 x1 的值  (这一步是为了跳过x0寄存器, 方便下面循环)
+    # 跳过 sp(x2)，后面会再次保存
+    sd x3, 3*8(sp)          # 保存寄存器 x3 的值  (这一步是为了跳过x4寄存器, 方便下面循环)
+    # 跳过 tp(x4)，应用程序不使用该寄存器
+    # 保存 x5~x31
+    .set n, 5               # 定义变量 n 的初始值为 5
+    .rept 27                # 循环 27 次
+        SAVE_GP %n          # 保存寄存器 x_n 的值到栈空间中
+        .set n, n+1        # 将 n 加 1
+    .endr                   # 结束指令块
+    # 我们可以自由使用 t0/t1/t2，因为它们已保存在内核栈上
+    csrr t0, sstatus        # 读取 sstatus 寄存器的值
+    csrr t1, sepc           # 读取 sepc 寄存器的值
+    sd t0, 32*8(sp)         # 保存 sstatus 寄存器的值到栈空间中
+    sd t1, 33*8(sp)         # 保存 sepc 寄存器的值到栈空间中
+    # 从 sscratch 中读取用户栈，并将其保存到内核栈中
+    csrr t2, sscratch       # 读取 sscratch 寄存器的值
+    sd t2, 2*8(sp)          # 保存用户栈的地址到内核栈 trap context中
+    # 设置 trap_handler(cx: &mut TrapContext) 的输入参数
+    mv a0, sp               # 将 TrapContext 的地址赋值给 a0
+    call trap_handler       # 调用 trap_handler 分发函数
+
+__restore:                  # __restore 符号的实现
+    # case1: 开始运行应用程序
+    # case2: 从处理完中断后返回 U 级别
+    mv sp, a0               # 将 a0 中保存的内核栈地址赋值给 sp  这个首次进入是在内核进入首次进入sp 这里会被修改为KERNEL_STACK_SIZE, 被接管
+
+    # 恢复 sstatus/sepc
+    ld t0, 32*8(sp)         # 从栈空间中读取 sstatus 寄存器的值
+    ld t1, 33*8(sp)         # 从栈空间中读取 sepc 寄存器的值
+    ld t2, 2*8(sp)          # 从栈空间中读取用户栈的栈顶地址
+    csrw sstatus, t0        # 恢复 sstatus 寄存器的值
+    csrw sepc, t1           # 恢复 sepc 寄存器的值
+    csrw sscratch, t2       # 将栈指针 用户栈 的值 临时保存到 sscratch 寄存器中
+    # 现在 sp 指向内核栈，sscratch 指向用户栈
+
+    # 恢复通用寄存器，除了 sp/tp 以外的寄存器
+    # 跳过x0
+    ld x1, 1*8(sp)          # 从栈空间中读取寄存器 x1 的值
+    # 跳过x2
+    ld x3, 3*8(sp)          # 从栈空间中读取寄存器 x3 的值
+    # 循环恢复
+    .set n, 5               # 定义变量 n 的初始值为 5
+    .rept 27                # 循环 27 次
+        LOAD_GP %n          # 从栈空间中加载寄存器 x_n 的值
+        .set n, n+1        # 将 n 加 1
+    .endr                   # 结束指令块
+
+    # 现在 sp 指向内核栈，sscratch 指向用户栈, 释放内核栈中的中的 TrapContext, 陷入已经执行完成, 即将返回用户态 不需要这个上下文了
+    addi sp, sp, 34*8       # 释放 sizeof<TrapContext>
+
+    csrrw sp, sscratch, sp  # 交换 sp内核栈 和 sscratch用户栈 寄存器的值, 交换之后sscratch保存的是内核栈顶, sp是用户栈 USER_STACK(栈底) 的栈顶
+    sret                    # 返回指令, 根据sstatus(陷入/异常之前的特权级) 和 sepc(陷入/异常 之前的pc)返回

ch3-coop/user/Cargo.toml

@@ -0,0 +1,12 @@
+[package]
+name = "user_lib"
+version = "0.1.0"
+edition = "2021"
+
+# See more keys and their definitions at https://doc.rust-lang.org/cargo/reference/manifest.html
+
+[dependencies]
+riscv = { git = "https://github.com/rcore-os/riscv", features = ["inline-asm"] }
+
+[profile.release]
+debug = true

ch3-coop/user/Makefile

@@ -0,0 +1,29 @@
+MODE := release
+TARGET := riscv64gc-unknown-none-elf
+OBJDUMP := rust-objdump --arch-name=riscv64
+OBJCOPY := rust-objcopy --binary-architecture=riscv64
+
+RUST_FLAGS := -Clink-arg=-Tsrc/linker.ld  # 使用我们自己的链接脚本
+RUST_FLAGS += -Cforce-frame-pointers=yes  # 强制编译器生成帧指针
+RUST_FLAGS:=$(strip ${RUST_FLAGS})
+
+APP_DIR := src/bin
+TARGET_DIR := target/$(TARGET)/$(MODE)
+APPS := $(wildcard $(APP_DIR)/*.rs)
+ELFS := $(patsubst $(APP_DIR)/%.rs, $(TARGET_DIR)/%, $(APPS))
+BINS := $(patsubst $(APP_DIR)/%.rs, $(TARGET_DIR)/%.bin, $(APPS))
+
+
+# 编译elf文件
+build_elf: clean
+	CARGO_BUILD_RUSTFLAGS="$(RUST_FLAGS)" \
+ 	cargo build --$(MODE) --target=$(TARGET)
+
+
+# 把每个elf文件去掉无关代码
+build: build_elf
+	@$(foreach elf, $(ELFS), $(OBJCOPY) $(elf) --strip-all -O binary $(patsubst $(TARGET_DIR)/%, $(TARGET_DIR)/%.bin, $(elf));)
+
+
+clean:
+	rm -rf ./target*

ch3-coop/user/src/bin/00hello_world.rs

@@ -0,0 +1,10 @@
+#![no_std]
+#![no_main]
+
+use user_lib::*;
+
+#[no_mangle]
+fn main() -> i32 {
+    println!("hello 1");
+    0
+}

ch3-coop/user/src/bin/01store_fault.rs

@@ -0,0 +1,15 @@
+#![no_std]
+#![no_main]
+
+#[macro_use]
+extern crate user_lib;
+
+#[no_mangle]
+fn main() -> i32 {
+    println!("Into Test store_fault, we will insert an invalid store operation...");
+    println!("Kernel should kill this application!");
+    unsafe {
+        core::ptr::null_mut::<u8>().write_volatile(0);
+    }
+    0
+}

ch3-coop/user/src/bin/02power.rs

@@ -0,0 +1,27 @@
+#![no_std]
+#![no_main]
+
+#[macro_use]
+extern crate user_lib;
+
+const SIZE: usize = 10;
+const P: u32 = 3;
+const STEP: usize = 100000;
+const MOD: u32 = 10007;
+
+#[no_mangle]
+fn main() -> i32 {
+    let mut pow = [0u32; SIZE];
+    let mut index: usize = 0;
+    pow[index] = 1;
+    for i in 1..=STEP {
+        let last = pow[index];
+        index = (index + 1) % SIZE;
+        pow[index] = last * P % MOD;
+        if i % 10000 == 0 {
+            println!("{}^{}={}(MOD {})", P, i, pow[index], MOD);
+        }
+    }
+    println!("Test power OK!");
+    0
+}

ch3-coop/user/src/bin/03priv_inst.rs

@@ -0,0 +1,17 @@
+#![no_std]
+#![no_main]
+
+#[macro_use]
+extern crate user_lib;
+
+use core::arch::asm;
+
+#[no_mangle]
+fn main() -> i32 {
+    println!("Try to execute privileged instruction in U Mode");
+    println!("Kernel should kill this application!");
+    unsafe {
+        asm!("sret");
+    }
+    0
+}

ch3-coop/user/src/bin/04priv_csr.rs

@@ -0,0 +1,17 @@
+#![no_std]
+#![no_main]
+
+#[macro_use]
+extern crate user_lib;
+
+use riscv::register::sstatus::{self, SPP};
+
+#[no_mangle]
+fn main() -> i32 {
+    println!("Try to access privileged CSR in U Mode");
+    println!("Kernel should kill this application!");
+    unsafe {
+        sstatus::set_spp(SPP::User);
+    }
+    0
+}

ch3-coop/user/src/lib.rs

@@ -0,0 +1,38 @@
+#![no_std]
+#![feature(linkage)]  // 开启弱链接特性
+#![feature(panic_info_message)]
+
+
+pub mod user_lang_items;
+pub use user_lang_items::*;
+
+pub mod syscall;
+use syscall::{sys_exit};
+
+extern "C" {
+    fn start_bss();
+    fn end_bss();
+}
+
+
+// 只要使用这个包, 那么这里就会作为bin程序的开始
+#[no_mangle]
+#[link_section = ".text.entry"]  // 链接到指定的段
+pub extern "C" fn _start() -> ! {
+    clear_bss();
+    sys_exit(main());  // 这里执行的main程序是我们 bin文件夹里面的main, 而不是下面的, 下面的main程序只有在bin程序没有main函数的时候才会链接
+    // 正常是不会走到这一步的, 因为上面已经退出了程序
+    panic!("unreachable after sys_exit!");
+}
+
+#[linkage = "weak"]  // 设置我们默认的main函数, 弱链接
+#[no_mangle]
+fn main() -> i32 {
+    panic!("Cannot find main!");
+}
+
+fn clear_bss() {
+    unsafe {
+        (start_bss as usize..end_bss as usize).for_each(|p| (p as *mut u8).write_unaligned(0))
+    };
+}

ch3-coop/user/src/linker.ld

@@ -0,0 +1,32 @@
+OUTPUT_ARCH(riscv)
+ENTRY(_start)
+
+/*设置用户程序链接的基础起始位置为0x80400000*/
+BASE_ADDRESS = 0x80400000;
+
+SECTIONS
+{
+    . = BASE_ADDRESS;
+    .text : {
+        *(.text.entry)
+        *(.text .text.*)
+    }
+    .rodata : {
+        *(.rodata .rodata.*)
+        *(.srodata .srodata.*)
+    }
+    .data : {
+        *(.data .data.*)
+        *(.sdata .sdata.*)
+    }
+    .bss : {
+        start_bss = .;
+        *(.bss .bss.*)
+        *(.sbss .sbss.*)
+        end_bss = .;
+    }
+    /DISCARD/ : {
+        *(.eh_frame)
+        *(.debug*)
+    }
+}

ch3-coop/user/src/syscall.rs

@@ -0,0 +1,30 @@
+use core::arch::asm;
+
+const SYSCALL_WRITE: usize = 64;
+const SYSCALL_EXIT: usize = 93;
+
+
+fn syscall(id: usize, args: [usize; 3]) -> isize {
+    let mut ret: isize;
+    unsafe {
+        // a0寄存器同时作为输入参数和输出参数, {in_var} => {out_var}
+        asm!(
+        "ecall",
+        inlateout("x10") args[0] => ret,
+        in("x11") args[1],
+        in("x12") args[2],
+        in("x17") id
+        );
+    }
+    ret
+}
+
+
+pub fn sys_write(fd: usize, buffer: &[u8]) -> isize {
+    syscall(SYSCALL_WRITE, [fd, buffer.as_ptr() as usize, buffer.len()])
+}
+
+pub fn sys_exit(exit_code: i32) -> isize {
+    syscall(SYSCALL_EXIT, [exit_code as usize, 0, 0])
+}
+

ch3-coop/user/src/user_lang_items.rs

@@ -0,0 +1,2 @@
+pub mod user_panic;
+pub mod user_console;

ch3-coop/user/src/user_lang_items/user_console.rs

@@ -0,0 +1,32 @@
+use core::fmt::{Arguments, Write, Result};
+use crate::syscall::sys_write;
+
+struct Stdout;
+
+const STDOUT: usize = 1;
+
+impl Write for Stdout {
+    fn write_str(&mut self, s: &str) -> Result {
+        sys_write(STDOUT, s.as_bytes());
+        Ok(())
+    }
+}
+
+pub fn print(args: Arguments) {
+    Stdout.write_fmt(args).unwrap();
+}
+
+
+#[macro_export]
+macro_rules! print {
+    ($fmt: literal $(, $($arg: tt)+)?) => {
+        $crate::user_console::print(format_args!($fmt $(, $($arg)+)?));
+    }
+}
+
+#[macro_export]
+macro_rules! println {
+    ($fmt: literal $(, $($arg: tt)+)?) => {
+        $crate::user_console::print(format_args!(concat!($fmt, "\n") $(, $($arg)+)?));
+    }
+}

ch3-coop/user/src/user_lang_items/user_panic.rs

@@ -0,0 +1,19 @@
+use core::panic::PanicInfo;
+use crate::println;
+
+#[panic_handler]
+fn panic(info: &PanicInfo) -> ! {
+    if let Some(location) = info.location() {
+        println!(
+            "Panicked at {}:{} {}",
+            location.file(),
+            location.line(),
+            info.message().unwrap()
+        );
+    } else {
+        println!("Panicked: {}", info.message().unwrap());
+    }
+    loop {
+
+    }
+}