xref: /DragonOS/kernel/src/mm/mod.rs (revision 607783d7414735d1dc54afb0c7346ed8e13303a2)
1 use alloc::sync::Arc;
2 
3 use crate::{
4     arch::MMArch,
5     include::bindings::bindings::{process_control_block, PAGE_OFFSET},
6     syscall::SystemError,
7 };
8 
9 use core::{
10     cmp,
11     fmt::Debug,
12     intrinsics::unlikely,
13     ops::{Add, AddAssign, Sub, SubAssign},
14     ptr,
15     sync::atomic::{AtomicBool, Ordering},
16 };
17 
18 use self::{
19     allocator::page_frame::{VirtPageFrame, VirtPageFrameIter},
20     page::round_up_to_page_size,
21     ucontext::{AddressSpace, UserMapper},
22 };
23 
24 pub mod allocator;
25 pub mod c_adapter;
26 pub mod kernel_mapper;
27 pub mod mmio_buddy;
28 pub mod no_init;
29 pub mod page;
30 pub mod percpu;
31 pub mod syscall;
32 pub mod ucontext;
33 
34 /// 内核INIT进程的用户地址空间结构体(仅在process_init中初始化)
35 static mut __INITIAL_PROCESS_ADDRESS_SPACE: Option<Arc<AddressSpace>> = None;
36 
37 /// 获取内核INIT进程的用户地址空间结构体
38 #[allow(non_snake_case)]
39 #[inline(always)]
40 pub fn INITIAL_PROCESS_ADDRESS_SPACE() -> Arc<AddressSpace> {
41     unsafe {
42         return __INITIAL_PROCESS_ADDRESS_SPACE
43             .as_ref()
44             .expect("INITIAL_PROCESS_ADDRESS_SPACE is null")
45             .clone();
46     }
47 }
48 
49 /// 设置内核INIT进程的用户地址空间结构体全局变量
50 #[allow(non_snake_case)]
51 pub unsafe fn set_INITIAL_PROCESS_ADDRESS_SPACE(address_space: Arc<AddressSpace>) {
52     static INITIALIZED: AtomicBool = AtomicBool::new(false);
53     if INITIALIZED
54         .compare_exchange(false, true, Ordering::SeqCst, Ordering::Acquire)
55         .is_err()
56     {
57         panic!("INITIAL_PROCESS_ADDRESS_SPACE is already initialized");
58     }
59     __INITIAL_PROCESS_ADDRESS_SPACE = Some(address_space);
60 }
61 
62 /// @brief 将内核空间的虚拟地址转换为物理地址
63 #[inline(always)]
64 pub fn virt_2_phys(addr: usize) -> usize {
65     addr - PAGE_OFFSET as usize
66 }
67 
68 /// @brief 将物理地址转换为内核空间的虚拟地址
69 #[inline(always)]
70 pub fn phys_2_virt(addr: usize) -> usize {
71     addr + PAGE_OFFSET as usize
72 }
73 
74 #[derive(Clone, Copy, Debug, Eq, Ord, PartialEq, PartialOrd, Hash)]
75 pub enum PageTableKind {
76     /// 用户可访问的页表
77     User,
78     /// 内核页表
79     Kernel,
80 }
81 
82 /// 物理内存地址
83 #[derive(Clone, Copy, Eq, Ord, PartialEq, PartialOrd, Hash)]
84 #[repr(transparent)]
85 pub struct PhysAddr(usize);
86 
87 impl PhysAddr {
88     #[inline(always)]
89     pub const fn new(address: usize) -> Self {
90         Self(address)
91     }
92 
93     /// @brief 获取物理地址的值
94     #[inline(always)]
95     pub fn data(&self) -> usize {
96         self.0
97     }
98 
99     /// @brief 将物理地址加上一个偏移量
100     #[inline(always)]
101     pub fn add(self, offset: usize) -> Self {
102         Self(self.0 + offset)
103     }
104 
105     /// @brief 判断物理地址是否按照指定要求对齐
106     #[inline(always)]
107     pub fn check_aligned(&self, align: usize) -> bool {
108         return self.0 & (align - 1) == 0;
109     }
110 
111     #[inline(always)]
112     pub fn is_null(&self) -> bool {
113         return self.0 == 0;
114     }
115 }
116 
117 impl Debug for PhysAddr {
118     fn fmt(&self, f: &mut core::fmt::Formatter<'_>) -> core::fmt::Result {
119         write!(f, "PhysAddr({:#x})", self.0)
120     }
121 }
122 
123 impl core::ops::Add<usize> for PhysAddr {
124     type Output = Self;
125 
126     #[inline(always)]
127     fn add(self, rhs: usize) -> Self::Output {
128         return Self(self.0 + rhs);
129     }
130 }
131 
132 impl core::ops::AddAssign<usize> for PhysAddr {
133     #[inline(always)]
134     fn add_assign(&mut self, rhs: usize) {
135         self.0 += rhs;
136     }
137 }
138 
139 impl core::ops::Add<PhysAddr> for PhysAddr {
140     type Output = Self;
141 
142     #[inline(always)]
143     fn add(self, rhs: PhysAddr) -> Self::Output {
144         return Self(self.0 + rhs.0);
145     }
146 }
147 
148 impl core::ops::AddAssign<PhysAddr> for PhysAddr {
149     #[inline(always)]
150     fn add_assign(&mut self, rhs: PhysAddr) {
151         self.0 += rhs.0;
152     }
153 }
154 
155 impl core::ops::BitOrAssign<usize> for PhysAddr {
156     #[inline(always)]
157     fn bitor_assign(&mut self, rhs: usize) {
158         self.0 |= rhs;
159     }
160 }
161 
162 impl core::ops::BitOrAssign<PhysAddr> for PhysAddr {
163     #[inline(always)]
164     fn bitor_assign(&mut self, rhs: PhysAddr) {
165         self.0 |= rhs.0;
166     }
167 }
168 
169 impl core::ops::Sub<usize> for PhysAddr {
170     type Output = Self;
171 
172     #[inline(always)]
173     fn sub(self, rhs: usize) -> Self::Output {
174         return Self(self.0 - rhs);
175     }
176 }
177 
178 impl core::ops::SubAssign<usize> for PhysAddr {
179     #[inline(always)]
180     fn sub_assign(&mut self, rhs: usize) {
181         self.0 -= rhs;
182     }
183 }
184 
185 impl core::ops::Sub<PhysAddr> for PhysAddr {
186     type Output = usize;
187 
188     #[inline(always)]
189     fn sub(self, rhs: PhysAddr) -> Self::Output {
190         return self.0 - rhs.0;
191     }
192 }
193 
194 impl core::ops::SubAssign<PhysAddr> for PhysAddr {
195     #[inline(always)]
196     fn sub_assign(&mut self, rhs: PhysAddr) {
197         self.0 -= rhs.0;
198     }
199 }
200 
201 /// 虚拟内存地址
202 #[derive(Clone, Copy, Eq, Ord, PartialEq, PartialOrd, Hash)]
203 #[repr(transparent)]
204 pub struct VirtAddr(usize);
205 
206 impl VirtAddr {
207     #[inline(always)]
208     pub const fn new(address: usize) -> Self {
209         return Self(address);
210     }
211 
212     /// @brief 获取虚拟地址的值
213     #[inline(always)]
214     pub fn data(&self) -> usize {
215         return self.0;
216     }
217 
218     /// @brief 判断虚拟地址的类型
219     #[inline(always)]
220     pub fn kind(&self) -> PageTableKind {
221         if self.check_user() {
222             return PageTableKind::User;
223         } else {
224             return PageTableKind::Kernel;
225         }
226     }
227 
228     /// @brief 判断虚拟地址是否按照指定要求对齐
229     #[inline(always)]
230     pub fn check_aligned(&self, align: usize) -> bool {
231         return self.0 & (align - 1) == 0;
232     }
233 
234     /// @brief 判断虚拟地址是否在用户空间
235     #[inline(always)]
236     pub fn check_user(&self) -> bool {
237         if self < &MMArch::USER_END_VADDR {
238             return true;
239         } else {
240             return false;
241         }
242     }
243 
244     #[inline(always)]
245     pub fn as_ptr<T>(self) -> *mut T {
246         return self.0 as *mut T;
247     }
248 
249     #[inline(always)]
250     pub fn is_null(&self) -> bool {
251         return self.0 == 0;
252     }
253 }
254 
255 impl Add<VirtAddr> for VirtAddr {
256     type Output = Self;
257 
258     #[inline(always)]
259     fn add(self, rhs: VirtAddr) -> Self::Output {
260         return Self(self.0 + rhs.0);
261     }
262 }
263 
264 impl Add<usize> for VirtAddr {
265     type Output = Self;
266 
267     #[inline(always)]
268     fn add(self, rhs: usize) -> Self::Output {
269         return Self(self.0 + rhs);
270     }
271 }
272 
273 impl Sub<VirtAddr> for VirtAddr {
274     type Output = usize;
275 
276     #[inline(always)]
277     fn sub(self, rhs: VirtAddr) -> Self::Output {
278         return self.0 - rhs.0;
279     }
280 }
281 
282 impl Sub<usize> for VirtAddr {
283     type Output = Self;
284 
285     #[inline(always)]
286     fn sub(self, rhs: usize) -> Self::Output {
287         return Self(self.0 - rhs);
288     }
289 }
290 
291 impl AddAssign<usize> for VirtAddr {
292     #[inline(always)]
293     fn add_assign(&mut self, rhs: usize) {
294         self.0 += rhs;
295     }
296 }
297 
298 impl AddAssign<VirtAddr> for VirtAddr {
299     #[inline(always)]
300     fn add_assign(&mut self, rhs: VirtAddr) {
301         self.0 += rhs.0;
302     }
303 }
304 
305 impl SubAssign<usize> for VirtAddr {
306     #[inline(always)]
307     fn sub_assign(&mut self, rhs: usize) {
308         self.0 -= rhs;
309     }
310 }
311 
312 impl SubAssign<VirtAddr> for VirtAddr {
313     #[inline(always)]
314     fn sub_assign(&mut self, rhs: VirtAddr) {
315         self.0 -= rhs.0;
316     }
317 }
318 
319 impl Debug for VirtAddr {
320     fn fmt(&self, f: &mut core::fmt::Formatter<'_>) -> core::fmt::Result {
321         write!(f, "VirtAddr({:#x})", self.0)
322     }
323 }
324 
325 /// @brief 物理内存区域
326 #[derive(Clone, Copy, Debug)]
327 pub struct PhysMemoryArea {
328     /// 物理基地址
329     pub base: PhysAddr,
330     /// 该区域的物理内存大小
331     pub size: usize,
332 }
333 
334 pub trait MemoryManagementArch: Clone + Copy + Debug {
335     /// 页面大小的shift(假如页面4K,那么这个值就是12,因为2^12=4096)
336     const PAGE_SHIFT: usize;
337     /// 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
338     const PAGE_ENTRY_SHIFT: usize;
339     /// 页表层级数量
340     const PAGE_LEVELS: usize;
341 
342     /// 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)
343     const ENTRY_ADDRESS_SHIFT: usize;
344     /// 页面的页表项的默认值
345     const ENTRY_FLAG_DEFAULT_PAGE: usize;
346     /// 页表的页表项的默认值
347     const ENTRY_FLAG_DEFAULT_TABLE: usize;
348     /// 页表项的present位被置位之后的值
349     const ENTRY_FLAG_PRESENT: usize;
350     /// 页表项为read only时的值
351     const ENTRY_FLAG_READONLY: usize;
352     /// 页表项为可读写状态的值
353     const ENTRY_FLAG_READWRITE: usize;
354     /// 页面项标记页面为user page的值
355     const ENTRY_FLAG_USER: usize;
356     /// 页面项标记页面为write through的值
357     const ENTRY_FLAG_WRITE_THROUGH: usize;
358     /// 页面项标记页面为cache disable的值
359     const ENTRY_FLAG_CACHE_DISABLE: usize;
360     /// 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)
361     const ENTRY_FLAG_NO_EXEC: usize;
362     /// 标记当前页面可执行的标志位(Execute enable)
363     const ENTRY_FLAG_EXEC: usize;
364 
365     /// 虚拟地址与物理地址的偏移量
366     const PHYS_OFFSET: usize;
367 
368     /// 每个页面的大小
369     const PAGE_SIZE: usize = 1 << Self::PAGE_SHIFT;
370     /// 通过这个mask,获取地址的页内偏移量
371     const PAGE_OFFSET_MASK: usize = Self::PAGE_SIZE - 1;
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 // ====== 重构内存管理、进程管理后,请删除这几行 BEGIN ======
641 //BUG pcb问题
642 unsafe impl Send for process_control_block {}
643 unsafe impl Sync for process_control_block {}
644 
645 // ====== 重构内存管理后,请删除这几行 END =======
646