From c239525dc488673033ed1a3d8b3bfb1f51a4ad9f Mon Sep 17 00:00:00 2001
From: zhangxinyu <840317537@qq.com>
Date: Wed, 31 May 2023 13:53:31 +0800
Subject: [PATCH] =?UTF-8?q?=E5=85=A8=E5=B1=80=E7=9A=84=E5=86=85=E5=AD=98?=
 =?UTF-8?q?=E7=AE=A1=E7=90=86=E5=99=A8=E5=AE=8C=E6=88=90?=
MIME-Version: 1.0
Content-Type: text/plain; charset=UTF-8
Content-Transfer-Encoding: 8bit

---
 ch4/os/src/config.rs             |  3 ++
 ch4/os/src/mm/address.rs         | 73 ++++++++++++++++++++++++++++++++
 ch4/os/src/mm/frame_allocator.rs | 61 ++++++++++++++++++++++++++
 ch4/os/src/mm/mod.rs             |  4 +-
 4 files changed, 140 insertions(+), 1 deletion(-)
 create mode 100644 ch4/os/src/mm/address.rs
 create mode 100644 ch4/os/src/mm/frame_allocator.rs

diff --git a/ch4/os/src/config.rs b/ch4/os/src/config.rs
index 0afa146..4d60d5d 100644
--- a/ch4/os/src/config.rs
+++ b/ch4/os/src/config.rs
@@ -2,6 +2,9 @@ pub const APP_BASE_ADDRESS: usize = 0x80400000;  // 载入的app的起始的地
 pub const APP_SIZE_LIMIT: usize = 0x20000;  // app的最大的二进制文件能够使用的大小
 pub const MAX_APP_NUM: usize = 10;  // 支持最大的用户应用数量
 pub const KERNEL_HEAP_SIZE: usize = 0x30_0000;  // 内核的堆大小 3M
+pub const PAGE_SIZE_BITS: usize = 0xc;  // 页内偏移的位宽(也就是每页的大小)
+pub const PAGE_SIZE: usize = 0x1000;  // 每个页 的字节大小为 4kb
+pub const MEMORY_END: usize = 0x80800000;  // 设置我们当前操作系统最大只能用到 0x80800000-0x80000000大小的内存也就是8M
 
 pub const USER_STACK_SIZE: usize = 4096 * 2;  // 每个应用用户态的栈大小为8kb
 pub const KERNEL_STACK_SIZE: usize = 4096 * 2; // 每个应用的内核栈
diff --git a/ch4/os/src/mm/address.rs b/ch4/os/src/mm/address.rs
new file mode 100644
index 0000000..842bf0f
--- /dev/null
+++ b/ch4/os/src/mm/address.rs
@@ -0,0 +1,73 @@
+use crate::config::{PAGE_SIZE, PAGE_SIZE_BITS};
+
+const PA_WIDTH_SV39: usize = 56;  // 真实物理地址 的字节宽度  44(物理页宽) + 12(4kb的宽度)
+const PPN_WIDTH_SV39: usize = PA_WIDTH_SV39 - PAGE_SIZE_BITS;  // 物理页 的宽度, 也就是 物理地址宽度-每页宽度=物理页宽度
+
+
+// 物理地址
+#[derive(Copy, Clone, Ord, PartialOrd, Eq, PartialEq)]
+pub struct PhysAddr(pub usize);
+
+// 虚拟地址
+#[derive(Copy, Clone, Ord, PartialOrd, Eq, PartialEq)]
+pub struct VirtAddr(pub usize);
+
+// 物理页
+#[derive(Copy, Clone, Ord, PartialOrd, Eq, PartialEq)]
+pub struct PhysPageNum(pub usize);
+
+// 虚拟页
+#[derive(Copy, Clone, Ord, PartialOrd, Eq, PartialEq)]
+pub struct VirtPageNum(pub usize);
+
+
+// 把usize 转为真实地址(只保留 PA_WIDTH_SV39 位字节)
+impl From<usize> for PhysAddr {
+    fn from(v: usize) -> Self { Self(v & ( (1 << PA_WIDTH_SV39) - 1 )) }
+}
+
+// 把usize类型的物理页号 转为物理页结构体 (只保留物理页的宽度)
+impl From<usize> for PhysPageNum {
+    fn from(v: usize) -> Self { Self(v & ( (1 << PPN_WIDTH_SV39) - 1 )) }
+}
+
+// 把物理地址转为 usize, 直接返回即可
+impl From<PhysAddr> for usize {
+    fn from(v: PhysAddr) -> Self { v.0 }
+}
+
+// 把物理页结构体转为 usize类型的物理页 直接返回即可
+impl From<PhysPageNum> for usize {
+    fn from(v: PhysPageNum) -> Self { v.0 }
+}
+
+
+impl PhysAddr {
+    // 从当前物理地址得到页内偏移(只保留12个bit即可)
+    pub fn page_offset(&self) -> usize {
+        self.0 & (PAGE_SIZE - 1)
+    }
+
+    // 舍去小数位, 把物理地址, 转为 物理页号
+    pub fn floor(&self) -> PhysPageNum {
+        PhysPageNum(self.0 / PAGE_SIZE)
+    }
+
+    // 有小数统一 +1, 物理地址转为物理页号
+    pub fn ceil(&self) -> PhysPageNum {
+        PhysPageNum((self.0 + PAGE_SIZE - 1) / PAGE_SIZE)
+    }
+}
+
+// 把PhysAddr 转为 PhysPageNum
+impl From<PhysAddr> for PhysPageNum {
+    fn from(v: PhysAddr) -> Self {
+        assert_eq!(v.page_offset(), 0);
+        v.floor()
+    }
+}
+
+// 把物理页转为物理地址(左移页宽即可)
+impl From<PhysPageNum> for PhysAddr {
+    fn from(v: PhysPageNum) -> Self { Self(v.0 << PAGE_SIZE_BITS) }
+}
\ No newline at end of file
diff --git a/ch4/os/src/mm/frame_allocator.rs b/ch4/os/src/mm/frame_allocator.rs
new file mode 100644
index 0000000..e90b454
--- /dev/null
+++ b/ch4/os/src/mm/frame_allocator.rs
@@ -0,0 +1,61 @@
+use alloc::vec::Vec;
+use lazy_static::lazy_static;
+use crate::mm::address::{PhysPageNum, PhysAddr};
+use crate::config::MEMORY_END;
+use crate::sync::UPSafeCell;
+
+extern "C" {
+    fn ekernel();
+}
+
+// 物理页帧管理器, 它管理了 ekernel(操作系统使用的内存结束位置) 到 MEMORY_END(最大的可用的物理内存地址)所有的内存, 这部分内存是给用户用的
+// current, end 这个区间表示此前从未被分配过的页
+// recycled 表示之前被分配过, 但是已经被回收可以再利用的页
+pub struct StackFrameAllocator {
+    current: usize,
+    end: usize,
+    recycled: Vec<usize>,
+}
+
+impl StackFrameAllocator {
+    fn from(l: PhysPageNum, r: PhysPageNum) -> Self {
+        Self {
+            current: l.0,
+            end: r.0,
+            recycled: Vec::new(),
+        }
+    }
+}
+
+impl StackFrameAllocator {
+    // 从分配器中, 找到一个空闲页(它可能之前从未分配过, 或者之前被分配但是已经被回收的完好页)
+    fn alloc(&mut self) -> Option<PhysPageNum> {
+        if let Some(ppn) = self.recycled.pop() {
+            Some(ppn.into())
+        } else if self.current == self.end {
+            None
+        } else {
+            self.current += 1;
+            Some((self.current - 1).into())
+        }
+    }
+
+    // 回收一个页, 为了防止二次回收, 我们这里直接panic
+    fn dealloc(&mut self, ppn: PhysPageNum) {
+        let ppn = ppn.0;
+        // 防止被二次回收
+        if ppn >= self.current || self.recycled.iter().any(|&v| v == ppn) {
+            panic!("Frame ppn={:#x} has not been allocated!", ppn);
+        }
+        // 校验完毕, 把这个页, 还给管理器
+        self.recycled.push(ppn);
+    }
+}
+
+lazy_static! {
+    pub static ref FRAME_ALLOCATOR: UPSafeCell<StackFrameAllocator> = unsafe {
+        // 这里我们只要完整的页, 舍去开头和结尾一些碎片
+        UPSafeCell::new(StackFrameAllocator::from(PhysAddr::from(ekernel as usize).ceil(), PhysAddr::from(MEMORY_END).floor()))
+    };
+}
+
diff --git a/ch4/os/src/mm/mod.rs b/ch4/os/src/mm/mod.rs
index e7b4c87..6794603 100644
--- a/ch4/os/src/mm/mod.rs
+++ b/ch4/os/src/mm/mod.rs
@@ -1 +1,3 @@
-pub mod heap_allocator;
\ No newline at end of file
+pub mod heap_allocator;
+pub mod address;
+pub mod frame_allocator;
\ No newline at end of file