xref: /DragonOS/kernel/src/mm/mod.rs (revision 40314b30ab2a7e1fd06a05a00f693e644e446035)
1 use alloc::sync::Arc;
2 
3 use crate::{arch::MMArch, include::bindings::bindings::PAGE_OFFSET, syscall::SystemError};
4 
5 use core::{
6     cmp,
7     fmt::Debug,
8     intrinsics::unlikely,
9     ops::{Add, AddAssign, Sub, SubAssign},
10     ptr,
11     sync::atomic::{AtomicBool, Ordering},
12 };
13 
14 use self::{
15     allocator::page_frame::{VirtPageFrame, VirtPageFrameIter},
16     page::round_up_to_page_size,
17     ucontext::{AddressSpace, UserMapper},
18 };
19 
20 pub mod allocator;
21 pub mod c_adapter;
22 pub mod kernel_mapper;
23 pub mod mmio_buddy;
24 pub mod no_init;
25 pub mod page;
26 pub mod percpu;
27 pub mod syscall;
28 pub mod ucontext;
29 
30 /// 内核INIT进程的用户地址空间结构体(仅在process_init中初始化)
31 static mut __INITIAL_PROCESS_ADDRESS_SPACE: Option<Arc<AddressSpace>> = None;
32 
33 /// 获取内核INIT进程的用户地址空间结构体
34 #[allow(non_snake_case)]
35 #[inline(always)]
36 pub fn INITIAL_PROCESS_ADDRESS_SPACE() -> Arc<AddressSpace> {
37     unsafe {
38         return __INITIAL_PROCESS_ADDRESS_SPACE
39             .as_ref()
40             .expect("INITIAL_PROCESS_ADDRESS_SPACE is null")
41             .clone();
42     }
43 }
44 
45 /// 设置内核INIT进程的用户地址空间结构体全局变量
46 #[allow(non_snake_case)]
47 pub unsafe fn set_INITIAL_PROCESS_ADDRESS_SPACE(address_space: Arc<AddressSpace>) {
48     static INITIALIZED: AtomicBool = AtomicBool::new(false);
49     if INITIALIZED
50         .compare_exchange(false, true, Ordering::SeqCst, Ordering::Acquire)
51         .is_err()
52     {
53         panic!("INITIAL_PROCESS_ADDRESS_SPACE is already initialized");
54     }
55     __INITIAL_PROCESS_ADDRESS_SPACE = Some(address_space);
56 }
57 
58 /// @brief 将内核空间的虚拟地址转换为物理地址
59 #[inline(always)]
60 pub fn virt_2_phys(addr: usize) -> usize {
61     addr - PAGE_OFFSET as usize
62 }
63 
64 /// @brief 将物理地址转换为内核空间的虚拟地址
65 #[inline(always)]
66 pub fn phys_2_virt(addr: usize) -> usize {
67     addr + PAGE_OFFSET as usize
68 }
69 
70 #[derive(Clone, Copy, Debug, Eq, Ord, PartialEq, PartialOrd, Hash)]
71 pub enum PageTableKind {
72     /// 用户可访问的页表
73     User,
74     /// 内核页表
75     Kernel,
76     /// 内存虚拟化中使用的EPT
77     EPT,
78 }
79 
80 /// 物理内存地址
81 #[derive(Clone, Copy, Eq, Ord, PartialEq, PartialOrd, Hash)]
82 #[repr(transparent)]
83 pub struct PhysAddr(usize);
84 
85 impl PhysAddr {
86     #[inline(always)]
87     pub const fn new(address: usize) -> Self {
88         Self(address)
89     }
90 
91     /// @brief 获取物理地址的值
92     #[inline(always)]
93     pub fn data(&self) -> usize {
94         self.0
95     }
96 
97     /// @brief 将物理地址加上一个偏移量
98     #[inline(always)]
99     pub fn add(self, offset: usize) -> Self {
100         Self(self.0 + offset)
101     }
102 
103     /// @brief 判断物理地址是否按照指定要求对齐
104     #[inline(always)]
105     pub fn check_aligned(&self, align: usize) -> bool {
106         return self.0 & (align - 1) == 0;
107     }
108 
109     #[inline(always)]
110     pub fn is_null(&self) -> bool {
111         return self.0 == 0;
112     }
113 }
114 
115 impl Debug for PhysAddr {
116     fn fmt(&self, f: &mut core::fmt::Formatter<'_>) -> core::fmt::Result {
117         write!(f, "PhysAddr({:#x})", self.0)
118     }
119 }
120 
121 impl core::ops::Add<usize> for PhysAddr {
122     type Output = Self;
123 
124     #[inline(always)]
125     fn add(self, rhs: usize) -> Self::Output {
126         return Self(self.0 + rhs);
127     }
128 }
129 
130 impl core::ops::AddAssign<usize> for PhysAddr {
131     #[inline(always)]
132     fn add_assign(&mut self, rhs: usize) {
133         self.0 += rhs;
134     }
135 }
136 
137 impl core::ops::Add<PhysAddr> for PhysAddr {
138     type Output = Self;
139 
140     #[inline(always)]
141     fn add(self, rhs: PhysAddr) -> Self::Output {
142         return Self(self.0 + rhs.0);
143     }
144 }
145 
146 impl core::ops::AddAssign<PhysAddr> for PhysAddr {
147     #[inline(always)]
148     fn add_assign(&mut self, rhs: PhysAddr) {
149         self.0 += rhs.0;
150     }
151 }
152 
153 impl core::ops::BitOrAssign<usize> for PhysAddr {
154     #[inline(always)]
155     fn bitor_assign(&mut self, rhs: usize) {
156         self.0 |= rhs;
157     }
158 }
159 
160 impl core::ops::BitOrAssign<PhysAddr> for PhysAddr {
161     #[inline(always)]
162     fn bitor_assign(&mut self, rhs: PhysAddr) {
163         self.0 |= rhs.0;
164     }
165 }
166 
167 impl core::ops::Sub<usize> for PhysAddr {
168     type Output = Self;
169 
170     #[inline(always)]
171     fn sub(self, rhs: usize) -> Self::Output {
172         return Self(self.0 - rhs);
173     }
174 }
175 
176 impl core::ops::SubAssign<usize> for PhysAddr {
177     #[inline(always)]
178     fn sub_assign(&mut self, rhs: usize) {
179         self.0 -= rhs;
180     }
181 }
182 
183 impl core::ops::Sub<PhysAddr> for PhysAddr {
184     type Output = usize;
185 
186     #[inline(always)]
187     fn sub(self, rhs: PhysAddr) -> Self::Output {
188         return self.0 - rhs.0;
189     }
190 }
191 
192 impl core::ops::SubAssign<PhysAddr> for PhysAddr {
193     #[inline(always)]
194     fn sub_assign(&mut self, rhs: PhysAddr) {
195         self.0 -= rhs.0;
196     }
197 }
198 
199 /// 虚拟内存地址
200 #[derive(Clone, Copy, Eq, Ord, PartialEq, PartialOrd, Hash)]
201 #[repr(transparent)]
202 pub struct VirtAddr(usize);
203 
204 impl VirtAddr {
205     #[inline(always)]
206     pub const fn new(address: usize) -> Self {
207         return Self(address);
208     }
209 
210     /// @brief 获取虚拟地址的值
211     #[inline(always)]
212     pub fn data(&self) -> usize {
213         return self.0;
214     }
215 
216     /// @brief 判断虚拟地址的类型
217     #[inline(always)]
218     pub fn kind(&self) -> PageTableKind {
219         if self.check_user() {
220             return PageTableKind::User;
221         } else {
222             return PageTableKind::Kernel;
223         }
224     }
225 
226     /// @brief 判断虚拟地址是否按照指定要求对齐
227     #[inline(always)]
228     pub fn check_aligned(&self, align: usize) -> bool {
229         return self.0 & (align - 1) == 0;
230     }
231 
232     /// @brief 判断虚拟地址是否在用户空间
233     #[inline(always)]
234     pub fn check_user(&self) -> bool {
235         if self < &MMArch::USER_END_VADDR {
236             return true;
237         } else {
238             return false;
239         }
240     }
241 
242     #[inline(always)]
243     pub fn as_ptr<T>(self) -> *mut T {
244         return self.0 as *mut T;
245     }
246 
247     #[inline(always)]
248     pub fn is_null(&self) -> bool {
249         return self.0 == 0;
250     }
251 }
252 
253 impl Add<VirtAddr> for VirtAddr {
254     type Output = Self;
255 
256     #[inline(always)]
257     fn add(self, rhs: VirtAddr) -> Self::Output {
258         return Self(self.0 + rhs.0);
259     }
260 }
261 
262 impl Add<usize> for VirtAddr {
263     type Output = Self;
264 
265     #[inline(always)]
266     fn add(self, rhs: usize) -> Self::Output {
267         return Self(self.0 + rhs);
268     }
269 }
270 
271 impl Sub<VirtAddr> for VirtAddr {
272     type Output = usize;
273 
274     #[inline(always)]
275     fn sub(self, rhs: VirtAddr) -> Self::Output {
276         return self.0 - rhs.0;
277     }
278 }
279 
280 impl Sub<usize> for VirtAddr {
281     type Output = Self;
282 
283     #[inline(always)]
284     fn sub(self, rhs: usize) -> Self::Output {
285         return Self(self.0 - rhs);
286     }
287 }
288 
289 impl AddAssign<usize> for VirtAddr {
290     #[inline(always)]
291     fn add_assign(&mut self, rhs: usize) {
292         self.0 += rhs;
293     }
294 }
295 
296 impl AddAssign<VirtAddr> for VirtAddr {
297     #[inline(always)]
298     fn add_assign(&mut self, rhs: VirtAddr) {
299         self.0 += rhs.0;
300     }
301 }
302 
303 impl SubAssign<usize> for VirtAddr {
304     #[inline(always)]
305     fn sub_assign(&mut self, rhs: usize) {
306         self.0 -= rhs;
307     }
308 }
309 
310 impl SubAssign<VirtAddr> for VirtAddr {
311     #[inline(always)]
312     fn sub_assign(&mut self, rhs: VirtAddr) {
313         self.0 -= rhs.0;
314     }
315 }
316 
317 impl Debug for VirtAddr {
318     fn fmt(&self, f: &mut core::fmt::Formatter<'_>) -> core::fmt::Result {
319         write!(f, "VirtAddr({:#x})", self.0)
320     }
321 }
322 
323 /// @brief 物理内存区域
324 #[derive(Clone, Copy, Debug)]
325 pub struct PhysMemoryArea {
326     /// 物理基地址
327     pub base: PhysAddr,
328     /// 该区域的物理内存大小
329     pub size: usize,
330 }
331 
332 pub trait MemoryManagementArch: Clone + Copy + Debug {
333     /// 页面大小的shift(假如页面4K,那么这个值就是12,因为2^12=4096)
334     const PAGE_SHIFT: usize;
335     /// 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
336     const PAGE_ENTRY_SHIFT: usize;
337     /// 页表层级数量
338     const PAGE_LEVELS: usize;
339 
340     /// 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)
341     const ENTRY_ADDRESS_SHIFT: usize;
342     /// 页面的页表项的默认值
343     const ENTRY_FLAG_DEFAULT_PAGE: usize;
344     /// 页表的页表项的默认值
345     const ENTRY_FLAG_DEFAULT_TABLE: usize;
346     /// 页表项的present位被置位之后的值
347     const ENTRY_FLAG_PRESENT: usize;
348     /// 页表项为read only时的值
349     const ENTRY_FLAG_READONLY: usize;
350     /// 页表项为可读写状态的值
351     const ENTRY_FLAG_READWRITE: usize;
352     /// 页面项标记页面为user page的值
353     const ENTRY_FLAG_USER: usize;
354     /// 页面项标记页面为write through的值
355     const ENTRY_FLAG_WRITE_THROUGH: usize;
356     /// 页面项标记页面为cache disable的值
357     const ENTRY_FLAG_CACHE_DISABLE: usize;
358     /// 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)
359     const ENTRY_FLAG_NO_EXEC: usize;
360     /// 标记当前页面可执行的标志位(Execute enable)
361     const ENTRY_FLAG_EXEC: usize;
362 
363     /// 虚拟地址与物理地址的偏移量
364     const PHYS_OFFSET: usize;
365 
366     /// 每个页面的大小
367     const PAGE_SIZE: usize = 1 << Self::PAGE_SHIFT;
368     /// 通过这个mask,获取地址的页内偏移量
369     const PAGE_OFFSET_MASK: usize = Self::PAGE_SIZE - 1;
370     /// 通过这个mask,获取页的首地址
371     const PAGE_MASK: usize = !(Self::PAGE_OFFSET_MASK);
372     /// 页表项的地址、数据部分的shift。
373     /// 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
374     const PAGE_ADDRESS_SHIFT: usize = Self::PAGE_LEVELS * Self::PAGE_ENTRY_SHIFT + Self::PAGE_SHIFT;
375     /// 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)
376     const PAGE_ADDRESS_SIZE: usize = 1 << Self::PAGE_ADDRESS_SHIFT;
377     /// 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
378     const PAGE_ADDRESS_MASK: usize = Self::PAGE_ADDRESS_SIZE - Self::PAGE_SIZE;
379     /// 每个页表项的大小
380     const PAGE_ENTRY_SIZE: usize = 1 << (Self::PAGE_SHIFT - Self::PAGE_ENTRY_SHIFT);
381     /// 每个页表的页表项数目
382     const PAGE_ENTRY_NUM: usize = 1 << Self::PAGE_ENTRY_SHIFT;
383     /// 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
384     const PAGE_ENTRY_MASK: usize = Self::PAGE_ENTRY_NUM - 1;
385 
386     const PAGE_NEGATIVE_MASK: usize = !((Self::PAGE_ADDRESS_SIZE) - 1);
387 
388     const ENTRY_ADDRESS_SIZE: usize = 1 << Self::ENTRY_ADDRESS_SHIFT;
389     /// 该mask用于获取页表项中地址字段
390     const ENTRY_ADDRESS_MASK: usize = Self::ENTRY_ADDRESS_SIZE - Self::PAGE_SIZE;
391     /// 这个mask用于获取页表项中的flags
392     const ENTRY_FLAGS_MASK: usize = !Self::ENTRY_ADDRESS_MASK;
393 
394     /// 用户空间的最高地址
395     const USER_END_VADDR: VirtAddr;
396     /// 用户堆的起始地址
397     const USER_BRK_START: VirtAddr;
398     /// 用户栈起始地址(向下生长,不包含该值)
399     const USER_STACK_START: VirtAddr;
400 
401     /// @brief 用于初始化内存管理模块与架构相关的信息。
402     /// 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
403     unsafe fn init() -> &'static [PhysMemoryArea];
404 
405     /// @brief 读取指定虚拟地址的值,并假设它是类型T的指针
406     #[inline(always)]
407     unsafe fn read<T>(address: VirtAddr) -> T {
408         return ptr::read(address.data() as *const T);
409     }
410 
411     /// @brief 将value写入到指定的虚拟地址
412     #[inline(always)]
413     unsafe fn write<T>(address: VirtAddr, value: T) {
414         ptr::write(address.data() as *mut T, value);
415     }
416 
417     #[inline(always)]
418     unsafe fn write_bytes(address: VirtAddr, value: u8, count: usize) {
419         ptr::write_bytes(address.data() as *mut u8, value, count);
420     }
421 
422     /// @brief 刷新TLB中,关于指定虚拟地址的条目
423     unsafe fn invalidate_page(address: VirtAddr);
424 
425     /// @brief 刷新TLB中,所有的条目
426     unsafe fn invalidate_all();
427 
428     /// @brief 获取顶级页表的物理地址
429     unsafe fn table(table_kind: PageTableKind) -> PhysAddr;
430 
431     /// @brief 设置顶级页表的物理地址到处理器中
432     unsafe fn set_table(table_kind: PageTableKind, table: PhysAddr);
433 
434     /// @brief 将物理地址转换为虚拟地址.
435     ///
436     /// @param phys 物理地址
437     ///
438     /// @return 转换后的虚拟地址。如果转换失败,返回None
439     #[inline(always)]
440     unsafe fn phys_2_virt(phys: PhysAddr) -> Option<VirtAddr> {
441         if let Some(vaddr) = phys.data().checked_add(Self::PHYS_OFFSET) {
442             return Some(VirtAddr::new(vaddr));
443         } else {
444             return None;
445         }
446     }
447 
448     /// 将虚拟地址转换为物理地址
449     ///
450     /// ## 参数
451     ///
452     /// - `virt` 虚拟地址
453     ///
454     /// ## 返回值
455     ///
456     /// 转换后的物理地址。如果转换失败,返回None
457     #[inline(always)]
458     unsafe fn virt_2_phys(virt: VirtAddr) -> Option<PhysAddr> {
459         if let Some(paddr) = virt.data().checked_sub(Self::PHYS_OFFSET) {
460             return Some(PhysAddr::new(paddr));
461         } else {
462             return None;
463         }
464     }
465 
466     /// @brief 判断指定的虚拟地址是否正确(符合规范)
467     fn virt_is_valid(virt: VirtAddr) -> bool;
468 
469     /// 获取内存管理初始化时,创建的第一个内核页表的地址
470     fn initial_page_table() -> PhysAddr;
471 
472     /// 初始化新的usermapper,为用户进程创建页表
473     fn setup_new_usermapper() -> Result<UserMapper, SystemError>;
474 }
475 
476 /// @brief 虚拟地址范围
477 /// 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
478 ///
479 /// 请注意与VMA进行区分,该结构体被VMA所包含
480 #[derive(Debug, Clone, Copy, PartialEq, Eq, Hash)]
481 pub struct VirtRegion {
482     start: VirtAddr,
483     size: usize,
484 }
485 
486 #[allow(dead_code)]
487 impl VirtRegion {
488     /// # 创建一个新的虚拟地址范围
489     pub fn new(start: VirtAddr, size: usize) -> Self {
490         VirtRegion { start, size }
491     }
492 
493     /// 获取虚拟地址范围的起始地址
494     #[inline(always)]
495     pub fn start(&self) -> VirtAddr {
496         self.start
497     }
498 
499     /// 获取虚拟地址范围的截止地址(不包括返回的地址)
500     #[inline(always)]
501     pub fn end(&self) -> VirtAddr {
502         return self.start().add(self.size);
503     }
504 
505     /// # Create a new VirtRegion from a range [start, end)
506     ///
507     /// If end <= start, return None
508     pub fn between(start: VirtAddr, end: VirtAddr) -> Option<Self> {
509         if unlikely(end.data() <= start.data()) {
510             return None;
511         }
512         let size = end.data() - start.data();
513         return Some(VirtRegion::new(start, size));
514     }
515 
516     /// # 取两个虚拟地址范围的交集
517     ///
518     /// 如果两个虚拟地址范围没有交集,返回None
519     pub fn intersect(&self, other: &VirtRegion) -> Option<VirtRegion> {
520         let start = self.start.max(other.start);
521         let end = self.end().min(other.end());
522         return VirtRegion::between(start, end);
523     }
524 
525     /// 设置虚拟地址范围的起始地址
526     #[inline(always)]
527     pub fn set_start(&mut self, start: VirtAddr) {
528         self.start = start;
529     }
530 
531     #[inline(always)]
532     pub fn size(&self) -> usize {
533         self.size
534     }
535 
536     /// 设置虚拟地址范围的大小
537     #[inline(always)]
538     pub fn set_size(&mut self, size: usize) {
539         self.size = size;
540     }
541 
542     /// 判断虚拟地址范围是否为空
543     #[inline(always)]
544     pub fn is_empty(&self) -> bool {
545         self.size == 0
546     }
547 
548     /// 将虚拟地址区域的大小向上对齐到页大小
549     #[inline(always)]
550     pub fn round_up_size_to_page(self) -> Self {
551         return VirtRegion::new(self.start, round_up_to_page_size(self.size));
552     }
553 
554     /// 判断两个虚拟地址范围是否由于具有交集而导致冲突
555     #[inline(always)]
556     pub fn collide(&self, other: &VirtRegion) -> bool {
557         return self.intersect(other).is_some();
558     }
559 
560     pub fn iter_pages(&self) -> VirtPageFrameIter {
561         return VirtPageFrame::iter_range(
562             VirtPageFrame::new(self.start),
563             VirtPageFrame::new(self.end()),
564         );
565     }
566 
567     /// 获取[self.start(), region.start())的虚拟地址范围
568     ///
569     /// 如果self.start() >= region.start(),返回None
570     pub fn before(self, region: &VirtRegion) -> Option<Self> {
571         return Self::between(self.start(), region.start());
572     }
573 
574     /// 获取[region.end(),self.end())的虚拟地址范围
575     ///
576     /// 如果 self.end() >= region.end() ,返回None
577     pub fn after(self, region: &VirtRegion) -> Option<Self> {
578         // if self.end() > region.end() none
579         return Self::between(region.end(), self.end());
580     }
581 
582     /// 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
583     ///
584     /// 如果vaddr不在当前虚拟地址范围内,返回None
585     ///
586     /// 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
587     pub fn rebase(self, vaddr: VirtAddr, new_base: &VirtRegion) -> Option<VirtAddr> {
588         if !self.contains(vaddr) {
589             return None;
590         }
591         let offset = vaddr.data() - self.start().data();
592         let new_start = new_base.start().data() + offset;
593         return Some(VirtAddr::new(new_start));
594     }
595 
596     /// 判断虚拟地址范围是否包含指定的虚拟地址
597     pub fn contains(&self, addr: VirtAddr) -> bool {
598         return self.start() <= addr && addr < self.end();
599     }
600 
601     /// 创建当前虚拟地址范围的页面迭代器
602     pub fn pages(&self) -> VirtPageFrameIter {
603         return VirtPageFrame::iter_range(
604             VirtPageFrame::new(self.start()),
605             VirtPageFrame::new(self.end()),
606         );
607     }
608 }
609 
610 impl PartialOrd for VirtRegion {
611     fn partial_cmp(&self, other: &Self) -> Option<cmp::Ordering> {
612         return self.start.partial_cmp(&other.start);
613     }
614 }
615 
616 impl Ord for VirtRegion {
617     fn cmp(&self, other: &Self) -> cmp::Ordering {
618         return self.start.cmp(&other.start);
619     }
620 }
621 
622 /// ## 判断虚拟地址是否超出了用户空间
623 ///
624 /// 如果虚拟地址超出了用户空间,返回Err(SystemError::EFAULT).
625 /// 如果end < start,返回Err(SystemError::EOVERFLOW)
626 ///
627 /// 否则返回Ok(())
628 pub fn verify_area(addr: VirtAddr, size: usize) -> Result<(), SystemError> {
629     let end = addr.add(size);
630     if unlikely(end.data() < addr.data()) {
631         return Err(SystemError::EOVERFLOW);
632     }
633 
634     if !addr.check_user() || !end.check_user() {
635         return Err(SystemError::EFAULT);
636     }
637 
638     return Ok(());
639 }
640