全局的内存管理器的分配和释放物理页帧完成

ch4/os/Cargo.toml

@@ -13,4 +13,5 @@ debug=true
 riscv = { git = "https://github.com/rcore-os/riscv", features = ["inline-asm"] }
 lazy_static = { version = "1.4.0", features = ["spin_no_std"] }
 sbi-rt = { version = "0.0.2", features = ["legacy"] }
-buddy_system_allocator = "0.6"
+buddy_system_allocator = "0.6"
+bitflags = "1.2.1"

ch4/os/Makefile

@@ -43,7 +43,7 @@ run:build_elf $(KERNEL_BIN) $(SYMBOL_MAP) kill
 		-device loader,file=$(KERNEL_BIN),addr=$(KERNEL_ENTRY)
 
 clean:
-	rm -rf ./target* && rm -rf ./src/link_app.S
+	#rm -rf ./target* && rm -rf ./src/link_app.S
 
 kill:
 	-pkill -9 qemu

ch4/os/src/main.rs

@@ -49,7 +49,7 @@ pub fn rust_main(){
     println!("boot_stack_top_bound: {:#x}, boot_stack_lower_bound: {:#x}", boot_stack_top_bound as usize, boot_stack_lower_bound as usize);
 
     // 初始化动态内存分配器, 使我们能在内核中使用动态大小数据类型
-    mm::heap_allocator::init_heap();
+    mm::init();
 
     trap::init();
     loader::load_app();

ch4/os/src/mm/address.rs

@@ -41,6 +41,18 @@ impl From<PhysPageNum> for usize {
     fn from(v: PhysPageNum) -> Self { v.0 }
 }
 
+// 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) }
+}
 
 impl PhysAddr {
     // 从当前物理地址得到页内偏移(只保留12个bit即可)
@@ -59,15 +71,25 @@ impl PhysAddr {
     }
 }
 
-// 把PhysAddr 转为 PhysPageNum
-impl From<PhysAddr> for PhysPageNum {
-    fn from(v: PhysAddr) -> Self {
-        assert_eq!(v.page_offset(), 0);
-        v.floor()
+
+impl PhysPageNum {
+    // // 从当前物理页保存的数据中得到所有的 PTE
+    // pub fn get_pte_array(&self) -> &'static mut [PageTableEntry] {
+    //     // 物理页号 转为物理地址
+    //     let pa: PhysAddr = (*self).into();
+    //     // 从物理页地址读出一页 512个8字节(4k)的数据
+    //     unsafe { core::slice::from_raw_parts_mut(pa.0 as *mut PageTableEntry, 512) }
+    // }
+
+    // 从当前物理页得到 引用类型的 byte array
+    pub fn get_bytes_array(&self) -> &'static mut [u8] {
+        let pa: PhysAddr = (*self).into();
+        unsafe { core::slice::from_raw_parts_mut(pa.0 as *mut u8, 4096) }
     }
-}
 
-// 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) }
+    // 把物理页转为物理地址之后, 再转为T, 强转
+    pub fn get_mut<T>(&self) -> &'static mut T {
+        let pa: PhysAddr = (*self).into();
+        unsafe { (pa.0 as *mut T).as_mut().unwrap() }
+    }
 }

ch4/os/src/mm/frame_allocator.rs

@@ -2,26 +2,52 @@ use alloc::vec::Vec;
 use lazy_static::lazy_static;
 use crate::mm::address::{PhysPageNum, PhysAddr};
 use crate::config::MEMORY_END;
+use crate::println;
 use crate::sync::UPSafeCell;
 
 extern "C" {
     fn ekernel();
 }
 
+// 物理页帧的结构体, 他和物理页号不同, 它是管理整个物理页内的数据, 而物理页号被页表管理
+// 我们使用这个结构体, 来利用rust变量生命周期, 自动管理该页, 数据清零或者还回物理页帧管理器
+pub struct FrameTracker {
+    pub ppn: PhysPageNum,
+}
+
+impl FrameTracker {
+    pub fn new(ppn: PhysPageNum) -> Self {
+        // 页数据初始化
+        let bytes_array = ppn.get_bytes_array();
+        for i in bytes_array {
+            *i = 0;
+        }
+        Self { ppn }
+    }
+}
+
+impl Drop for FrameTracker {
+    // 生命周期结束, 自动把页还给 物理页帧管理器
+    fn drop(&mut self) {
+        frame_dealloc(self.ppn);
+    }
+}
+
+
 // 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>,
+    current: PhysPageNum,
+    end: PhysPageNum,
+    recycled: Vec<PhysPageNum>,
 }
 
 impl StackFrameAllocator {
     fn from(l: PhysPageNum, r: PhysPageNum) -> Self {
         Self {
-            current: l.0,
-            end: r.0,
+            current: l,
+            end: r,
             recycled: Vec::new(),
         }
     }
@@ -31,21 +57,22 @@ 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())
+            Some(ppn)
         } else if self.current == self.end {
             None
         } else {
-            self.current += 1;
-            Some((self.current - 1).into())
+            let current_ppn = self.current;
+            let next_ppn = (self.current.0 + 1).into();
+            self.current = next_ppn;
+            Some(current_ppn)
         }
     }
 
     // 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);
+            panic!("Frame ppn={:#x} has not been allocated!", ppn.0);
         }
         // 校验完毕, 把这个页, 还给管理器
         self.recycled.push(ppn);
@@ -53,9 +80,39 @@ impl StackFrameAllocator {
 }
 
 lazy_static! {
-    pub static ref FRAME_ALLOCATOR: UPSafeCell<StackFrameAllocator> = unsafe {
+    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()))
     };
 }
 
+/// 分配一个页
+pub fn frame_alloc() -> Option<FrameTracker> {
+    FRAME_ALLOCATOR
+        .exclusive_access()
+        .alloc()
+        .map(FrameTracker::new)
+}
+
+/// 回收指定的页
+fn frame_dealloc(ppn: PhysPageNum) {
+    FRAME_ALLOCATOR.exclusive_access().dealloc(ppn);
+}
+
+
+pub fn frame_allocator_test() {
+    let mut v: Vec<FrameTracker> = Vec::new();
+    for i in 0..5 {
+        let frame = frame_alloc().unwrap();
+        println!("{:?}", frame.ppn.0);
+        v.push(frame);
+    }
+    v.clear();
+    for i in 0..5 {
+        let frame = frame_alloc().unwrap();
+        println!("{:?}", frame.ppn.0);
+        v.push(frame);
+    }
+    drop(v);
+    println!("frame_allocator_test passed!");
+}

ch4/os/src/mm/mod.rs

@@ -1,3 +1,14 @@
 pub mod heap_allocator;
 pub mod address;
-pub mod frame_allocator;
+pub mod frame_allocator;
+
+
+
+pub fn init(){
+    // 开启 内核的内存分配器
+    heap_allocator::init_heap();
+    // 初始化bin测试 物理页帧管理器
+    frame_allocator::frame_allocator_test();
+
+
+}

ch4/os/src/mm/page_table.rs

@@ -0,0 +1,77 @@
+use alloc::vec::Vec;
+use bitflags::*;
+use crate::mm::address::PhysPageNum;
+
+
+bitflags! {
+    pub struct PTEFlags: u8 {
+        const V = 1 << 0;  // 仅当位 V 为 1 时，页表项才是合法的
+        const R = 1 << 1;  // 可读标志
+        const W = 1 << 2;  // 可写标志
+        const X = 1 << 3;  // 可执行标志
+        const U = 1 << 4;  // 是否允许U级访问
+        const G = 1 << 5;  //
+        const A = 1 << 6;  // 从上次清零之后, 该页是否被访问过
+        const D = 1 << 7;  // 从上次清零之后, 该页是否被修改过
+    }
+}
+
+#[derive(Copy, Clone)]
+#[repr(C)]
+/// pte结构体
+///
+/// 对应的64个字节的布局为
+///
+/// 10bit(保留) | 44bit(物理页号) | 10bit(标志位)
+pub struct PageTableEntry {
+    pub bits: usize,
+}
+
+
+impl PageTableEntry {
+    // 从一个物理页号和一个flag 创建出来一个 PTE
+    // 物理也好 左移10位 加上 flag 即可
+    pub fn from(ppn: PhysPageNum, flags: PTEFlags) -> Self {
+        PageTableEntry {
+            bits: ppn.0 << 10 | flags.bits as usize,
+        }
+    }
+
+    // 生成一个全0的PTE, V也是0, 它是不合法的
+    pub fn new() -> Self {
+        PageTableEntry { bits: 0 }
+    }
+
+    // 从PTE中的到 物理页的地址, 右移bit flag的宽度 再只保留44位即可得到 usize类型的物理页号, 随后调用into进行转换
+    pub fn ppn(&self) -> PhysPageNum {
+        (self.bits >> 10 & ((1usize << 44) - 1)).into()
+    }
+    // 从PTE中得到bit flag
+    pub fn flags(&self) -> PTEFlags {
+        PTEFlags::from_bits(self.bits as u8).unwrap()
+    }
+
+    // 判断是否合法, 只保留 V标志的位置, 再判断是否为0
+    pub fn is_valid(&self) -> bool {
+        (self.flags() & PTEFlags::V) != PTEFlags::empty()
+    }
+    // 判断是否可读
+    pub fn readable(&self) -> bool {
+        (self.flags() & PTEFlags::R) != PTEFlags::empty()
+    }
+    // 判断是否可写
+    pub fn writable(&self) -> bool {
+        (self.flags() & PTEFlags::W) != PTEFlags::empty()
+    }
+    // 判断是否可执行
+    pub fn executable(&self) -> bool {
+        (self.flags() & PTEFlags::X) != PTEFlags::empty()
+    }
+}
+
+// 页表
+pub struct PageTable {
+    root_ppn: PhysPageNum,
+    // 这里保存的是页表每一页所占的物理页帧的页号
+    frames: Vec<FrameTracker>,
+}