xref: /DragonOS/kernel/src/mm/mod.rs (revision 99dbf38d2e279ea70e9e186753fd37001dbb749f)
140fe15e0SLoGin use alloc::sync::Arc;
240fe15e0SLoGin 
31496ba7bSLoGin use crate::{arch::MMArch, include::bindings::bindings::PAGE_OFFSET, syscall::SystemError};
440fe15e0SLoGin 
540fe15e0SLoGin use core::{
640fe15e0SLoGin     cmp,
740fe15e0SLoGin     fmt::Debug,
840fe15e0SLoGin     intrinsics::unlikely,
940fe15e0SLoGin     ops::{Add, AddAssign, Sub, SubAssign},
1040fe15e0SLoGin     ptr,
1140fe15e0SLoGin     sync::atomic::{AtomicBool, Ordering},
1240fe15e0SLoGin };
1340fe15e0SLoGin 
1440fe15e0SLoGin use self::{
1540fe15e0SLoGin     allocator::page_frame::{VirtPageFrame, VirtPageFrameIter},
1640fe15e0SLoGin     page::round_up_to_page_size,
1740fe15e0SLoGin     ucontext::{AddressSpace, UserMapper},
1840fe15e0SLoGin };
19004e86ffSlogin 
2082d2e446Slogin pub mod allocator;
2140fe15e0SLoGin pub mod c_adapter;
2240fe15e0SLoGin pub mod kernel_mapper;
23c2481452Shoumkh pub mod mmio_buddy;
2440fe15e0SLoGin pub mod no_init;
2540fe15e0SLoGin pub mod page;
26c3dad001SLoGin pub mod percpu;
27ab5c8ca4Slogin pub mod syscall;
2840fe15e0SLoGin pub mod ucontext;
2940fe15e0SLoGin 
3040fe15e0SLoGin /// 内核INIT进程的用户地址空间结构体(仅在process_init中初始化)
3140fe15e0SLoGin static mut __INITIAL_PROCESS_ADDRESS_SPACE: Option<Arc<AddressSpace>> = None;
3240fe15e0SLoGin 
3340fe15e0SLoGin /// 获取内核INIT进程的用户地址空间结构体
3440fe15e0SLoGin #[allow(non_snake_case)]
3540fe15e0SLoGin #[inline(always)]
3640fe15e0SLoGin pub fn INITIAL_PROCESS_ADDRESS_SPACE() -> Arc<AddressSpace> {
3740fe15e0SLoGin     unsafe {
3840fe15e0SLoGin         return __INITIAL_PROCESS_ADDRESS_SPACE
3940fe15e0SLoGin             .as_ref()
4040fe15e0SLoGin             .expect("INITIAL_PROCESS_ADDRESS_SPACE is null")
4140fe15e0SLoGin             .clone();
4240fe15e0SLoGin     }
4340fe15e0SLoGin }
4440fe15e0SLoGin 
4540fe15e0SLoGin /// 设置内核INIT进程的用户地址空间结构体全局变量
4640fe15e0SLoGin #[allow(non_snake_case)]
4740fe15e0SLoGin pub unsafe fn set_INITIAL_PROCESS_ADDRESS_SPACE(address_space: Arc<AddressSpace>) {
4840fe15e0SLoGin     static INITIALIZED: AtomicBool = AtomicBool::new(false);
4940fe15e0SLoGin     if INITIALIZED
5040fe15e0SLoGin         .compare_exchange(false, true, Ordering::SeqCst, Ordering::Acquire)
5140fe15e0SLoGin         .is_err()
5240fe15e0SLoGin     {
5340fe15e0SLoGin         panic!("INITIAL_PROCESS_ADDRESS_SPACE is already initialized");
5440fe15e0SLoGin     }
5540fe15e0SLoGin     __INITIAL_PROCESS_ADDRESS_SPACE = Some(address_space);
5640fe15e0SLoGin }
57004e86ffSlogin 
58004e86ffSlogin /// @brief 将内核空间的虚拟地址转换为物理地址
59004e86ffSlogin #[inline(always)]
60004e86ffSlogin pub fn virt_2_phys(addr: usize) -> usize {
61004e86ffSlogin     addr - PAGE_OFFSET as usize
62004e86ffSlogin }
63004e86ffSlogin 
64004e86ffSlogin /// @brief 将物理地址转换为内核空间的虚拟地址
65004e86ffSlogin #[inline(always)]
66004e86ffSlogin pub fn phys_2_virt(addr: usize) -> usize {
67004e86ffSlogin     addr + PAGE_OFFSET as usize
68004e86ffSlogin }
69bacd691cSlogin 
7040fe15e0SLoGin #[derive(Clone, Copy, Debug, Eq, Ord, PartialEq, PartialOrd, Hash)]
7140fe15e0SLoGin pub enum PageTableKind {
7240fe15e0SLoGin     /// 用户可访问的页表
7340fe15e0SLoGin     User,
7440fe15e0SLoGin     /// 内核页表
7540fe15e0SLoGin     Kernel,
7640314b30SXiaoye Zheng     /// 内存虚拟化中使用的EPT
7740314b30SXiaoye Zheng     EPT,
7840fe15e0SLoGin }
7940fe15e0SLoGin 
8040fe15e0SLoGin /// 物理内存地址
8140fe15e0SLoGin #[derive(Clone, Copy, Eq, Ord, PartialEq, PartialOrd, Hash)]
8240fe15e0SLoGin #[repr(transparent)]
8340fe15e0SLoGin pub struct PhysAddr(usize);
8440fe15e0SLoGin 
8540fe15e0SLoGin impl PhysAddr {
8640fe15e0SLoGin     #[inline(always)]
8740fe15e0SLoGin     pub const fn new(address: usize) -> Self {
8840fe15e0SLoGin         Self(address)
8940fe15e0SLoGin     }
9040fe15e0SLoGin 
9140fe15e0SLoGin     /// @brief 获取物理地址的值
9240fe15e0SLoGin     #[inline(always)]
9340fe15e0SLoGin     pub fn data(&self) -> usize {
9440fe15e0SLoGin         self.0
9540fe15e0SLoGin     }
9640fe15e0SLoGin 
9740fe15e0SLoGin     /// @brief 将物理地址加上一个偏移量
9840fe15e0SLoGin     #[inline(always)]
9940fe15e0SLoGin     pub fn add(self, offset: usize) -> Self {
10040fe15e0SLoGin         Self(self.0 + offset)
10140fe15e0SLoGin     }
10240fe15e0SLoGin 
10340fe15e0SLoGin     /// @brief 判断物理地址是否按照指定要求对齐
10440fe15e0SLoGin     #[inline(always)]
10540fe15e0SLoGin     pub fn check_aligned(&self, align: usize) -> bool {
10640fe15e0SLoGin         return self.0 & (align - 1) == 0;
10740fe15e0SLoGin     }
10840fe15e0SLoGin 
10940fe15e0SLoGin     #[inline(always)]
11040fe15e0SLoGin     pub fn is_null(&self) -> bool {
11140fe15e0SLoGin         return self.0 == 0;
11240fe15e0SLoGin     }
11340fe15e0SLoGin }
11440fe15e0SLoGin 
11540fe15e0SLoGin impl Debug for PhysAddr {
11640fe15e0SLoGin     fn fmt(&self, f: &mut core::fmt::Formatter<'_>) -> core::fmt::Result {
11740fe15e0SLoGin         write!(f, "PhysAddr({:#x})", self.0)
11840fe15e0SLoGin     }
11940fe15e0SLoGin }
12040fe15e0SLoGin 
12140fe15e0SLoGin impl core::ops::Add<usize> for PhysAddr {
12240fe15e0SLoGin     type Output = Self;
12340fe15e0SLoGin 
12440fe15e0SLoGin     #[inline(always)]
12540fe15e0SLoGin     fn add(self, rhs: usize) -> Self::Output {
12640fe15e0SLoGin         return Self(self.0 + rhs);
12740fe15e0SLoGin     }
12840fe15e0SLoGin }
12940fe15e0SLoGin 
13040fe15e0SLoGin impl core::ops::AddAssign<usize> for PhysAddr {
13140fe15e0SLoGin     #[inline(always)]
13240fe15e0SLoGin     fn add_assign(&mut self, rhs: usize) {
13340fe15e0SLoGin         self.0 += rhs;
13440fe15e0SLoGin     }
13540fe15e0SLoGin }
13640fe15e0SLoGin 
13740fe15e0SLoGin impl core::ops::Add<PhysAddr> for PhysAddr {
13840fe15e0SLoGin     type Output = Self;
13940fe15e0SLoGin 
14040fe15e0SLoGin     #[inline(always)]
14140fe15e0SLoGin     fn add(self, rhs: PhysAddr) -> Self::Output {
14240fe15e0SLoGin         return Self(self.0 + rhs.0);
14340fe15e0SLoGin     }
14440fe15e0SLoGin }
14540fe15e0SLoGin 
14640fe15e0SLoGin impl core::ops::AddAssign<PhysAddr> for PhysAddr {
14740fe15e0SLoGin     #[inline(always)]
14840fe15e0SLoGin     fn add_assign(&mut self, rhs: PhysAddr) {
14940fe15e0SLoGin         self.0 += rhs.0;
15040fe15e0SLoGin     }
15140fe15e0SLoGin }
15240fe15e0SLoGin 
1532dd9f0c7SLoGin impl core::ops::BitOrAssign<usize> for PhysAddr {
1542dd9f0c7SLoGin     #[inline(always)]
1552dd9f0c7SLoGin     fn bitor_assign(&mut self, rhs: usize) {
1562dd9f0c7SLoGin         self.0 |= rhs;
1572dd9f0c7SLoGin     }
1582dd9f0c7SLoGin }
1592dd9f0c7SLoGin 
1602dd9f0c7SLoGin impl core::ops::BitOrAssign<PhysAddr> for PhysAddr {
1612dd9f0c7SLoGin     #[inline(always)]
1622dd9f0c7SLoGin     fn bitor_assign(&mut self, rhs: PhysAddr) {
1632dd9f0c7SLoGin         self.0 |= rhs.0;
1642dd9f0c7SLoGin     }
1652dd9f0c7SLoGin }
1662dd9f0c7SLoGin 
16740fe15e0SLoGin impl core::ops::Sub<usize> for PhysAddr {
16840fe15e0SLoGin     type Output = Self;
16940fe15e0SLoGin 
17040fe15e0SLoGin     #[inline(always)]
17140fe15e0SLoGin     fn sub(self, rhs: usize) -> Self::Output {
17240fe15e0SLoGin         return Self(self.0 - rhs);
17340fe15e0SLoGin     }
17440fe15e0SLoGin }
17540fe15e0SLoGin 
17640fe15e0SLoGin impl core::ops::SubAssign<usize> for PhysAddr {
17740fe15e0SLoGin     #[inline(always)]
17840fe15e0SLoGin     fn sub_assign(&mut self, rhs: usize) {
17940fe15e0SLoGin         self.0 -= rhs;
18040fe15e0SLoGin     }
18140fe15e0SLoGin }
18240fe15e0SLoGin 
18340fe15e0SLoGin impl core::ops::Sub<PhysAddr> for PhysAddr {
18440fe15e0SLoGin     type Output = usize;
18540fe15e0SLoGin 
18640fe15e0SLoGin     #[inline(always)]
18740fe15e0SLoGin     fn sub(self, rhs: PhysAddr) -> Self::Output {
18840fe15e0SLoGin         return self.0 - rhs.0;
18940fe15e0SLoGin     }
19040fe15e0SLoGin }
19140fe15e0SLoGin 
19240fe15e0SLoGin impl core::ops::SubAssign<PhysAddr> for PhysAddr {
19340fe15e0SLoGin     #[inline(always)]
19440fe15e0SLoGin     fn sub_assign(&mut self, rhs: PhysAddr) {
19540fe15e0SLoGin         self.0 -= rhs.0;
19640fe15e0SLoGin     }
19740fe15e0SLoGin }
19840fe15e0SLoGin 
19940fe15e0SLoGin /// 虚拟内存地址
20040fe15e0SLoGin #[derive(Clone, Copy, Eq, Ord, PartialEq, PartialOrd, Hash)]
20140fe15e0SLoGin #[repr(transparent)]
20240fe15e0SLoGin pub struct VirtAddr(usize);
20340fe15e0SLoGin 
20440fe15e0SLoGin impl VirtAddr {
20540fe15e0SLoGin     #[inline(always)]
20640fe15e0SLoGin     pub const fn new(address: usize) -> Self {
20740fe15e0SLoGin         return Self(address);
20840fe15e0SLoGin     }
20940fe15e0SLoGin 
21040fe15e0SLoGin     /// @brief 获取虚拟地址的值
21140fe15e0SLoGin     #[inline(always)]
21240fe15e0SLoGin     pub fn data(&self) -> usize {
21340fe15e0SLoGin         return self.0;
21440fe15e0SLoGin     }
21540fe15e0SLoGin 
21640fe15e0SLoGin     /// @brief 判断虚拟地址的类型
21740fe15e0SLoGin     #[inline(always)]
21840fe15e0SLoGin     pub fn kind(&self) -> PageTableKind {
21940fe15e0SLoGin         if self.check_user() {
22040fe15e0SLoGin             return PageTableKind::User;
22140fe15e0SLoGin         } else {
22240fe15e0SLoGin             return PageTableKind::Kernel;
22340fe15e0SLoGin         }
22440fe15e0SLoGin     }
22540fe15e0SLoGin 
22640fe15e0SLoGin     /// @brief 判断虚拟地址是否按照指定要求对齐
22740fe15e0SLoGin     #[inline(always)]
22840fe15e0SLoGin     pub fn check_aligned(&self, align: usize) -> bool {
22940fe15e0SLoGin         return self.0 & (align - 1) == 0;
23040fe15e0SLoGin     }
23140fe15e0SLoGin 
23240fe15e0SLoGin     /// @brief 判断虚拟地址是否在用户空间
23340fe15e0SLoGin     #[inline(always)]
23440fe15e0SLoGin     pub fn check_user(&self) -> bool {
23540fe15e0SLoGin         if self < &MMArch::USER_END_VADDR {
23640fe15e0SLoGin             return true;
23740fe15e0SLoGin         } else {
23840fe15e0SLoGin             return false;
23940fe15e0SLoGin         }
24040fe15e0SLoGin     }
24140fe15e0SLoGin 
24240fe15e0SLoGin     #[inline(always)]
24340fe15e0SLoGin     pub fn as_ptr<T>(self) -> *mut T {
24440fe15e0SLoGin         return self.0 as *mut T;
24540fe15e0SLoGin     }
24640fe15e0SLoGin 
24740fe15e0SLoGin     #[inline(always)]
24840fe15e0SLoGin     pub fn is_null(&self) -> bool {
24940fe15e0SLoGin         return self.0 == 0;
25040fe15e0SLoGin     }
25140fe15e0SLoGin }
25240fe15e0SLoGin 
25340fe15e0SLoGin impl Add<VirtAddr> for VirtAddr {
25440fe15e0SLoGin     type Output = Self;
25540fe15e0SLoGin 
25640fe15e0SLoGin     #[inline(always)]
25740fe15e0SLoGin     fn add(self, rhs: VirtAddr) -> Self::Output {
25840fe15e0SLoGin         return Self(self.0 + rhs.0);
25940fe15e0SLoGin     }
26040fe15e0SLoGin }
26140fe15e0SLoGin 
26240fe15e0SLoGin impl Add<usize> for VirtAddr {
26340fe15e0SLoGin     type Output = Self;
26440fe15e0SLoGin 
26540fe15e0SLoGin     #[inline(always)]
26640fe15e0SLoGin     fn add(self, rhs: usize) -> Self::Output {
26740fe15e0SLoGin         return Self(self.0 + rhs);
26840fe15e0SLoGin     }
26940fe15e0SLoGin }
27040fe15e0SLoGin 
27140fe15e0SLoGin impl Sub<VirtAddr> for VirtAddr {
27240fe15e0SLoGin     type Output = usize;
27340fe15e0SLoGin 
27440fe15e0SLoGin     #[inline(always)]
27540fe15e0SLoGin     fn sub(self, rhs: VirtAddr) -> Self::Output {
27640fe15e0SLoGin         return self.0 - rhs.0;
27740fe15e0SLoGin     }
27840fe15e0SLoGin }
27940fe15e0SLoGin 
28040fe15e0SLoGin impl Sub<usize> for VirtAddr {
28140fe15e0SLoGin     type Output = Self;
28240fe15e0SLoGin 
28340fe15e0SLoGin     #[inline(always)]
28440fe15e0SLoGin     fn sub(self, rhs: usize) -> Self::Output {
28540fe15e0SLoGin         return Self(self.0 - rhs);
28640fe15e0SLoGin     }
28740fe15e0SLoGin }
28840fe15e0SLoGin 
28940fe15e0SLoGin impl AddAssign<usize> for VirtAddr {
29040fe15e0SLoGin     #[inline(always)]
29140fe15e0SLoGin     fn add_assign(&mut self, rhs: usize) {
29240fe15e0SLoGin         self.0 += rhs;
29340fe15e0SLoGin     }
29440fe15e0SLoGin }
29540fe15e0SLoGin 
29640fe15e0SLoGin impl AddAssign<VirtAddr> for VirtAddr {
29740fe15e0SLoGin     #[inline(always)]
29840fe15e0SLoGin     fn add_assign(&mut self, rhs: VirtAddr) {
29940fe15e0SLoGin         self.0 += rhs.0;
30040fe15e0SLoGin     }
30140fe15e0SLoGin }
30240fe15e0SLoGin 
30340fe15e0SLoGin impl SubAssign<usize> for VirtAddr {
30440fe15e0SLoGin     #[inline(always)]
30540fe15e0SLoGin     fn sub_assign(&mut self, rhs: usize) {
30640fe15e0SLoGin         self.0 -= rhs;
30740fe15e0SLoGin     }
30840fe15e0SLoGin }
30940fe15e0SLoGin 
31040fe15e0SLoGin impl SubAssign<VirtAddr> for VirtAddr {
31140fe15e0SLoGin     #[inline(always)]
31240fe15e0SLoGin     fn sub_assign(&mut self, rhs: VirtAddr) {
31340fe15e0SLoGin         self.0 -= rhs.0;
31440fe15e0SLoGin     }
31540fe15e0SLoGin }
31640fe15e0SLoGin 
31740fe15e0SLoGin impl Debug for VirtAddr {
31840fe15e0SLoGin     fn fmt(&self, f: &mut core::fmt::Formatter<'_>) -> core::fmt::Result {
31940fe15e0SLoGin         write!(f, "VirtAddr({:#x})", self.0)
32040fe15e0SLoGin     }
32140fe15e0SLoGin }
32240fe15e0SLoGin 
32340fe15e0SLoGin /// @brief 物理内存区域
32440fe15e0SLoGin #[derive(Clone, Copy, Debug)]
32540fe15e0SLoGin pub struct PhysMemoryArea {
32640fe15e0SLoGin     /// 物理基地址
32740fe15e0SLoGin     pub base: PhysAddr,
32840fe15e0SLoGin     /// 该区域的物理内存大小
32940fe15e0SLoGin     pub size: usize,
33040fe15e0SLoGin }
33140fe15e0SLoGin 
332*99dbf38dSLoGin impl PhysMemoryArea {
333*99dbf38dSLoGin     pub fn new(base: PhysAddr, size: usize) -> Self {
334*99dbf38dSLoGin         Self { base, size }
335*99dbf38dSLoGin     }
336*99dbf38dSLoGin 
337*99dbf38dSLoGin     /// 返回向上页面对齐的区域起始物理地址
338*99dbf38dSLoGin     pub fn area_base_aligned(&self) -> PhysAddr {
339*99dbf38dSLoGin         return PhysAddr::new(
340*99dbf38dSLoGin             (self.base.data() + (MMArch::PAGE_SIZE - 1)) & !(MMArch::PAGE_SIZE - 1),
341*99dbf38dSLoGin         );
342*99dbf38dSLoGin     }
343*99dbf38dSLoGin 
344*99dbf38dSLoGin     /// 返回向下页面对齐的区域截止物理地址
345*99dbf38dSLoGin     pub fn area_end_aligned(&self) -> PhysAddr {
346*99dbf38dSLoGin         return PhysAddr::new((self.base.data() + self.size) & !(MMArch::PAGE_SIZE - 1));
347*99dbf38dSLoGin     }
348*99dbf38dSLoGin }
349*99dbf38dSLoGin 
350*99dbf38dSLoGin impl Default for PhysMemoryArea {
351*99dbf38dSLoGin     fn default() -> Self {
352*99dbf38dSLoGin         Self {
353*99dbf38dSLoGin             base: PhysAddr::new(0),
354*99dbf38dSLoGin             size: 0,
355*99dbf38dSLoGin         }
356*99dbf38dSLoGin     }
357*99dbf38dSLoGin }
358*99dbf38dSLoGin 
35940fe15e0SLoGin pub trait MemoryManagementArch: Clone + Copy + Debug {
36040fe15e0SLoGin     /// 页面大小的shift(假如页面4K,那么这个值就是12,因为2^12=4096)
36140fe15e0SLoGin     const PAGE_SHIFT: usize;
36240fe15e0SLoGin     /// 每个页表的页表项数目。(以2^n次幂来表示)假如有512个页表项,那么这个值就是9
36340fe15e0SLoGin     const PAGE_ENTRY_SHIFT: usize;
36440fe15e0SLoGin     /// 页表层级数量
36540fe15e0SLoGin     const PAGE_LEVELS: usize;
36640fe15e0SLoGin 
36740fe15e0SLoGin     /// 页表项的有效位的index(假如页表项的第0-51位有效,那么这个值就是52)
36840fe15e0SLoGin     const ENTRY_ADDRESS_SHIFT: usize;
36940fe15e0SLoGin     /// 页面的页表项的默认值
37040fe15e0SLoGin     const ENTRY_FLAG_DEFAULT_PAGE: usize;
37140fe15e0SLoGin     /// 页表的页表项的默认值
37240fe15e0SLoGin     const ENTRY_FLAG_DEFAULT_TABLE: usize;
37340fe15e0SLoGin     /// 页表项的present位被置位之后的值
37440fe15e0SLoGin     const ENTRY_FLAG_PRESENT: usize;
37540fe15e0SLoGin     /// 页表项为read only时的值
37640fe15e0SLoGin     const ENTRY_FLAG_READONLY: usize;
37740fe15e0SLoGin     /// 页表项为可读写状态的值
37840fe15e0SLoGin     const ENTRY_FLAG_READWRITE: usize;
37940fe15e0SLoGin     /// 页面项标记页面为user page的值
38040fe15e0SLoGin     const ENTRY_FLAG_USER: usize;
38140fe15e0SLoGin     /// 页面项标记页面为write through的值
38240fe15e0SLoGin     const ENTRY_FLAG_WRITE_THROUGH: usize;
38340fe15e0SLoGin     /// 页面项标记页面为cache disable的值
38440fe15e0SLoGin     const ENTRY_FLAG_CACHE_DISABLE: usize;
38540fe15e0SLoGin     /// 标记当前页面不可执行的标志位(Execute disable)(也就是说,不能从这段内存里面获取处理器指令)
38640fe15e0SLoGin     const ENTRY_FLAG_NO_EXEC: usize;
38740fe15e0SLoGin     /// 标记当前页面可执行的标志位(Execute enable)
38840fe15e0SLoGin     const ENTRY_FLAG_EXEC: usize;
38940fe15e0SLoGin 
39040fe15e0SLoGin     /// 虚拟地址与物理地址的偏移量
39140fe15e0SLoGin     const PHYS_OFFSET: usize;
39240fe15e0SLoGin 
39340fe15e0SLoGin     /// 每个页面的大小
39440fe15e0SLoGin     const PAGE_SIZE: usize = 1 << Self::PAGE_SHIFT;
39540fe15e0SLoGin     /// 通过这个mask,获取地址的页内偏移量
39640fe15e0SLoGin     const PAGE_OFFSET_MASK: usize = Self::PAGE_SIZE - 1;
39740314b30SXiaoye Zheng     /// 通过这个mask,获取页的首地址
39840314b30SXiaoye Zheng     const PAGE_MASK: usize = !(Self::PAGE_OFFSET_MASK);
39940fe15e0SLoGin     /// 页表项的地址、数据部分的shift。
40040fe15e0SLoGin     /// 打个比方,如果这个值为52,那么意味着页表项的[0, 52)位,用于表示地址以及其他的标志位
40140fe15e0SLoGin     const PAGE_ADDRESS_SHIFT: usize = Self::PAGE_LEVELS * Self::PAGE_ENTRY_SHIFT + Self::PAGE_SHIFT;
40240fe15e0SLoGin     /// 最大的虚拟地址(对于不同的架构,由于上述PAGE_ADDRESS_SHIFT可能包括了reserved bits, 事实上能表示的虚拟地址应该比这个值要小)
40340fe15e0SLoGin     const PAGE_ADDRESS_SIZE: usize = 1 << Self::PAGE_ADDRESS_SHIFT;
40440fe15e0SLoGin     /// 页表项的值与这个常量进行与运算,得到的结果是所填写的物理地址
40540fe15e0SLoGin     const PAGE_ADDRESS_MASK: usize = Self::PAGE_ADDRESS_SIZE - Self::PAGE_SIZE;
40640fe15e0SLoGin     /// 每个页表项的大小
40740fe15e0SLoGin     const PAGE_ENTRY_SIZE: usize = 1 << (Self::PAGE_SHIFT - Self::PAGE_ENTRY_SHIFT);
40840fe15e0SLoGin     /// 每个页表的页表项数目
40940fe15e0SLoGin     const PAGE_ENTRY_NUM: usize = 1 << Self::PAGE_ENTRY_SHIFT;
41040fe15e0SLoGin     /// 该字段用于根据虚拟地址,获取该虚拟地址在对应的页表中是第几个页表项
41140fe15e0SLoGin     const PAGE_ENTRY_MASK: usize = Self::PAGE_ENTRY_NUM - 1;
41240fe15e0SLoGin 
41340fe15e0SLoGin     const PAGE_NEGATIVE_MASK: usize = !((Self::PAGE_ADDRESS_SIZE) - 1);
41440fe15e0SLoGin 
41540fe15e0SLoGin     const ENTRY_ADDRESS_SIZE: usize = 1 << Self::ENTRY_ADDRESS_SHIFT;
41640fe15e0SLoGin     /// 该mask用于获取页表项中地址字段
41740fe15e0SLoGin     const ENTRY_ADDRESS_MASK: usize = Self::ENTRY_ADDRESS_SIZE - Self::PAGE_SIZE;
41840fe15e0SLoGin     /// 这个mask用于获取页表项中的flags
41940fe15e0SLoGin     const ENTRY_FLAGS_MASK: usize = !Self::ENTRY_ADDRESS_MASK;
42040fe15e0SLoGin 
42140fe15e0SLoGin     /// 用户空间的最高地址
42240fe15e0SLoGin     const USER_END_VADDR: VirtAddr;
42340fe15e0SLoGin     /// 用户堆的起始地址
42440fe15e0SLoGin     const USER_BRK_START: VirtAddr;
42540fe15e0SLoGin     /// 用户栈起始地址(向下生长,不包含该值)
42640fe15e0SLoGin     const USER_STACK_START: VirtAddr;
42740fe15e0SLoGin 
42840fe15e0SLoGin     /// @brief 用于初始化内存管理模块与架构相关的信息。
42940fe15e0SLoGin     /// 该函数应调用其他模块的接口,生成内存区域结构体,提供给BumpAllocator使用
43040fe15e0SLoGin     unsafe fn init() -> &'static [PhysMemoryArea];
43140fe15e0SLoGin 
43240fe15e0SLoGin     /// @brief 读取指定虚拟地址的值,并假设它是类型T的指针
43340fe15e0SLoGin     #[inline(always)]
43440fe15e0SLoGin     unsafe fn read<T>(address: VirtAddr) -> T {
43540fe15e0SLoGin         return ptr::read(address.data() as *const T);
43640fe15e0SLoGin     }
43740fe15e0SLoGin 
43840fe15e0SLoGin     /// @brief 将value写入到指定的虚拟地址
43940fe15e0SLoGin     #[inline(always)]
44040fe15e0SLoGin     unsafe fn write<T>(address: VirtAddr, value: T) {
44140fe15e0SLoGin         ptr::write(address.data() as *mut T, value);
44240fe15e0SLoGin     }
44340fe15e0SLoGin 
44440fe15e0SLoGin     #[inline(always)]
44540fe15e0SLoGin     unsafe fn write_bytes(address: VirtAddr, value: u8, count: usize) {
44640fe15e0SLoGin         ptr::write_bytes(address.data() as *mut u8, value, count);
44740fe15e0SLoGin     }
44840fe15e0SLoGin 
44940fe15e0SLoGin     /// @brief 刷新TLB中,关于指定虚拟地址的条目
45040fe15e0SLoGin     unsafe fn invalidate_page(address: VirtAddr);
45140fe15e0SLoGin 
45240fe15e0SLoGin     /// @brief 刷新TLB中,所有的条目
45340fe15e0SLoGin     unsafe fn invalidate_all();
45440fe15e0SLoGin 
45540fe15e0SLoGin     /// @brief 获取顶级页表的物理地址
45640fe15e0SLoGin     unsafe fn table(table_kind: PageTableKind) -> PhysAddr;
45740fe15e0SLoGin 
45840fe15e0SLoGin     /// @brief 设置顶级页表的物理地址到处理器中
45940fe15e0SLoGin     unsafe fn set_table(table_kind: PageTableKind, table: PhysAddr);
46040fe15e0SLoGin 
46140fe15e0SLoGin     /// @brief 将物理地址转换为虚拟地址.
46240fe15e0SLoGin     ///
46340fe15e0SLoGin     /// @param phys 物理地址
46440fe15e0SLoGin     ///
46540fe15e0SLoGin     /// @return 转换后的虚拟地址。如果转换失败,返回None
46640fe15e0SLoGin     #[inline(always)]
46740fe15e0SLoGin     unsafe fn phys_2_virt(phys: PhysAddr) -> Option<VirtAddr> {
46840fe15e0SLoGin         if let Some(vaddr) = phys.data().checked_add(Self::PHYS_OFFSET) {
46940fe15e0SLoGin             return Some(VirtAddr::new(vaddr));
47040fe15e0SLoGin         } else {
47140fe15e0SLoGin             return None;
47240fe15e0SLoGin         }
47340fe15e0SLoGin     }
47440fe15e0SLoGin 
47540fe15e0SLoGin     /// 将虚拟地址转换为物理地址
47640fe15e0SLoGin     ///
47740fe15e0SLoGin     /// ## 参数
47840fe15e0SLoGin     ///
47940fe15e0SLoGin     /// - `virt` 虚拟地址
48040fe15e0SLoGin     ///
48140fe15e0SLoGin     /// ## 返回值
48240fe15e0SLoGin     ///
48340fe15e0SLoGin     /// 转换后的物理地址。如果转换失败,返回None
48440fe15e0SLoGin     #[inline(always)]
48540fe15e0SLoGin     unsafe fn virt_2_phys(virt: VirtAddr) -> Option<PhysAddr> {
48640fe15e0SLoGin         if let Some(paddr) = virt.data().checked_sub(Self::PHYS_OFFSET) {
48740fe15e0SLoGin             return Some(PhysAddr::new(paddr));
48840fe15e0SLoGin         } else {
48940fe15e0SLoGin             return None;
49040fe15e0SLoGin         }
49140fe15e0SLoGin     }
49240fe15e0SLoGin 
49340fe15e0SLoGin     /// @brief 判断指定的虚拟地址是否正确(符合规范)
49440fe15e0SLoGin     fn virt_is_valid(virt: VirtAddr) -> bool;
49540fe15e0SLoGin 
49640fe15e0SLoGin     /// 获取内存管理初始化时,创建的第一个内核页表的地址
49740fe15e0SLoGin     fn initial_page_table() -> PhysAddr;
49840fe15e0SLoGin 
49940fe15e0SLoGin     /// 初始化新的usermapper,为用户进程创建页表
50040fe15e0SLoGin     fn setup_new_usermapper() -> Result<UserMapper, SystemError>;
50140fe15e0SLoGin }
50240fe15e0SLoGin 
50340fe15e0SLoGin /// @brief 虚拟地址范围
50440fe15e0SLoGin /// 该结构体用于表示一个虚拟地址范围,包括起始地址与大小
50540fe15e0SLoGin ///
50640fe15e0SLoGin /// 请注意与VMA进行区分,该结构体被VMA所包含
50740fe15e0SLoGin #[derive(Debug, Clone, Copy, PartialEq, Eq, Hash)]
50840fe15e0SLoGin pub struct VirtRegion {
50940fe15e0SLoGin     start: VirtAddr,
51040fe15e0SLoGin     size: usize,
51140fe15e0SLoGin }
51240fe15e0SLoGin 
51340fe15e0SLoGin #[allow(dead_code)]
51440fe15e0SLoGin impl VirtRegion {
51540fe15e0SLoGin     /// # 创建一个新的虚拟地址范围
51640fe15e0SLoGin     pub fn new(start: VirtAddr, size: usize) -> Self {
51740fe15e0SLoGin         VirtRegion { start, size }
51840fe15e0SLoGin     }
51940fe15e0SLoGin 
52040fe15e0SLoGin     /// 获取虚拟地址范围的起始地址
52140fe15e0SLoGin     #[inline(always)]
52240fe15e0SLoGin     pub fn start(&self) -> VirtAddr {
52340fe15e0SLoGin         self.start
52440fe15e0SLoGin     }
52540fe15e0SLoGin 
52640fe15e0SLoGin     /// 获取虚拟地址范围的截止地址(不包括返回的地址)
52740fe15e0SLoGin     #[inline(always)]
52840fe15e0SLoGin     pub fn end(&self) -> VirtAddr {
52940fe15e0SLoGin         return self.start().add(self.size);
53040fe15e0SLoGin     }
53140fe15e0SLoGin 
53240fe15e0SLoGin     /// # Create a new VirtRegion from a range [start, end)
53340fe15e0SLoGin     ///
53440fe15e0SLoGin     /// If end <= start, return None
53540fe15e0SLoGin     pub fn between(start: VirtAddr, end: VirtAddr) -> Option<Self> {
53640fe15e0SLoGin         if unlikely(end.data() <= start.data()) {
53740fe15e0SLoGin             return None;
53840fe15e0SLoGin         }
53940fe15e0SLoGin         let size = end.data() - start.data();
54040fe15e0SLoGin         return Some(VirtRegion::new(start, size));
54140fe15e0SLoGin     }
54240fe15e0SLoGin 
54340fe15e0SLoGin     /// # 取两个虚拟地址范围的交集
54440fe15e0SLoGin     ///
54540fe15e0SLoGin     /// 如果两个虚拟地址范围没有交集,返回None
54640fe15e0SLoGin     pub fn intersect(&self, other: &VirtRegion) -> Option<VirtRegion> {
54740fe15e0SLoGin         let start = self.start.max(other.start);
54840fe15e0SLoGin         let end = self.end().min(other.end());
54940fe15e0SLoGin         return VirtRegion::between(start, end);
55040fe15e0SLoGin     }
55140fe15e0SLoGin 
55240fe15e0SLoGin     /// 设置虚拟地址范围的起始地址
55340fe15e0SLoGin     #[inline(always)]
55440fe15e0SLoGin     pub fn set_start(&mut self, start: VirtAddr) {
55540fe15e0SLoGin         self.start = start;
55640fe15e0SLoGin     }
55740fe15e0SLoGin 
55840fe15e0SLoGin     #[inline(always)]
55940fe15e0SLoGin     pub fn size(&self) -> usize {
56040fe15e0SLoGin         self.size
56140fe15e0SLoGin     }
56240fe15e0SLoGin 
56340fe15e0SLoGin     /// 设置虚拟地址范围的大小
56440fe15e0SLoGin     #[inline(always)]
56540fe15e0SLoGin     pub fn set_size(&mut self, size: usize) {
56640fe15e0SLoGin         self.size = size;
56740fe15e0SLoGin     }
56840fe15e0SLoGin 
56940fe15e0SLoGin     /// 判断虚拟地址范围是否为空
57040fe15e0SLoGin     #[inline(always)]
57140fe15e0SLoGin     pub fn is_empty(&self) -> bool {
57240fe15e0SLoGin         self.size == 0
57340fe15e0SLoGin     }
57440fe15e0SLoGin 
57540fe15e0SLoGin     /// 将虚拟地址区域的大小向上对齐到页大小
57640fe15e0SLoGin     #[inline(always)]
57740fe15e0SLoGin     pub fn round_up_size_to_page(self) -> Self {
57840fe15e0SLoGin         return VirtRegion::new(self.start, round_up_to_page_size(self.size));
57940fe15e0SLoGin     }
58040fe15e0SLoGin 
58140fe15e0SLoGin     /// 判断两个虚拟地址范围是否由于具有交集而导致冲突
58240fe15e0SLoGin     #[inline(always)]
58340fe15e0SLoGin     pub fn collide(&self, other: &VirtRegion) -> bool {
58440fe15e0SLoGin         return self.intersect(other).is_some();
58540fe15e0SLoGin     }
58640fe15e0SLoGin 
58740fe15e0SLoGin     pub fn iter_pages(&self) -> VirtPageFrameIter {
58840fe15e0SLoGin         return VirtPageFrame::iter_range(
58940fe15e0SLoGin             VirtPageFrame::new(self.start),
59040fe15e0SLoGin             VirtPageFrame::new(self.end()),
59140fe15e0SLoGin         );
59240fe15e0SLoGin     }
59340fe15e0SLoGin 
59440fe15e0SLoGin     /// 获取[self.start(), region.start())的虚拟地址范围
59540fe15e0SLoGin     ///
59640fe15e0SLoGin     /// 如果self.start() >= region.start(),返回None
59740fe15e0SLoGin     pub fn before(self, region: &VirtRegion) -> Option<Self> {
59840fe15e0SLoGin         return Self::between(self.start(), region.start());
59940fe15e0SLoGin     }
60040fe15e0SLoGin 
60140fe15e0SLoGin     /// 获取[region.end(),self.end())的虚拟地址范围
60240fe15e0SLoGin     ///
60340fe15e0SLoGin     /// 如果 self.end() >= region.end() ,返回None
60440fe15e0SLoGin     pub fn after(self, region: &VirtRegion) -> Option<Self> {
60540fe15e0SLoGin         // if self.end() > region.end() none
60640fe15e0SLoGin         return Self::between(region.end(), self.end());
60740fe15e0SLoGin     }
60840fe15e0SLoGin 
60940fe15e0SLoGin     /// 把当前虚拟地址范围内的某个虚拟地址,转换为另一个虚拟地址范围内的虚拟地址
61040fe15e0SLoGin     ///
61140fe15e0SLoGin     /// 如果vaddr不在当前虚拟地址范围内,返回None
61240fe15e0SLoGin     ///
61340fe15e0SLoGin     /// 如果vaddr在当前虚拟地址范围内,返回vaddr在new_base中的虚拟地址
61440fe15e0SLoGin     pub fn rebase(self, vaddr: VirtAddr, new_base: &VirtRegion) -> Option<VirtAddr> {
61540fe15e0SLoGin         if !self.contains(vaddr) {
61640fe15e0SLoGin             return None;
61740fe15e0SLoGin         }
61840fe15e0SLoGin         let offset = vaddr.data() - self.start().data();
61940fe15e0SLoGin         let new_start = new_base.start().data() + offset;
62040fe15e0SLoGin         return Some(VirtAddr::new(new_start));
62140fe15e0SLoGin     }
62240fe15e0SLoGin 
62340fe15e0SLoGin     /// 判断虚拟地址范围是否包含指定的虚拟地址
62440fe15e0SLoGin     pub fn contains(&self, addr: VirtAddr) -> bool {
62540fe15e0SLoGin         return self.start() <= addr && addr < self.end();
62640fe15e0SLoGin     }
62740fe15e0SLoGin 
62840fe15e0SLoGin     /// 创建当前虚拟地址范围的页面迭代器
62940fe15e0SLoGin     pub fn pages(&self) -> VirtPageFrameIter {
63040fe15e0SLoGin         return VirtPageFrame::iter_range(
63140fe15e0SLoGin             VirtPageFrame::new(self.start()),
63240fe15e0SLoGin             VirtPageFrame::new(self.end()),
63340fe15e0SLoGin         );
63440fe15e0SLoGin     }
63540fe15e0SLoGin }
63640fe15e0SLoGin 
63740fe15e0SLoGin impl PartialOrd for VirtRegion {
63840fe15e0SLoGin     fn partial_cmp(&self, other: &Self) -> Option<cmp::Ordering> {
63940fe15e0SLoGin         return self.start.partial_cmp(&other.start);
64040fe15e0SLoGin     }
64140fe15e0SLoGin }
64240fe15e0SLoGin 
64340fe15e0SLoGin impl Ord for VirtRegion {
64440fe15e0SLoGin     fn cmp(&self, other: &Self) -> cmp::Ordering {
64540fe15e0SLoGin         return self.start.cmp(&other.start);
64640fe15e0SLoGin     }
64740fe15e0SLoGin }
64840fe15e0SLoGin 
64940fe15e0SLoGin /// ## 判断虚拟地址是否超出了用户空间
65040fe15e0SLoGin ///
65140fe15e0SLoGin /// 如果虚拟地址超出了用户空间,返回Err(SystemError::EFAULT).
65240fe15e0SLoGin /// 如果end < start,返回Err(SystemError::EOVERFLOW)
65340fe15e0SLoGin ///
65440fe15e0SLoGin /// 否则返回Ok(())
65540fe15e0SLoGin pub fn verify_area(addr: VirtAddr, size: usize) -> Result<(), SystemError> {
65640fe15e0SLoGin     let end = addr.add(size);
65740fe15e0SLoGin     if unlikely(end.data() < addr.data()) {
65840fe15e0SLoGin         return Err(SystemError::EOVERFLOW);
65940fe15e0SLoGin     }
66040fe15e0SLoGin 
66140fe15e0SLoGin     if !addr.check_user() || !end.check_user() {
66240fe15e0SLoGin         return Err(SystemError::EFAULT);
66340fe15e0SLoGin     }
66440fe15e0SLoGin 
66540fe15e0SLoGin     return Ok(());
66640fe15e0SLoGin }
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