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source/_posts/开源系统训练营第三阶段-贺琨鹏.md

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+title: 开源系统训练营第三阶段-贺琨鹏
+date: 2024-12-06 16:06:15
+tags:
+---
+### 课后练习1：`print_with_color`
+
+在`axstd`中的wirte方法中，利用终端控制序列（ANSI 转义码）进行有颜色的输出
+```rust
+    fn write(&mut self, buf: &[u8]) -> io::Result<usize> {
+        let color_prefix = b"\x1b[32m";
+        let color_suffix = b"\x1b[0m";
+
+
+        if let Err(e) = arceos_api::stdio::ax_console_write_bytes(color_prefix) {
+            return Err(e);
+        }
+
+        let result = arceos_api::stdio::ax_console_write_bytes(buf);
+        if let Err(e) = result {
+            return Err(e);
+        }
+
+        if let Err(e) = arceos_api::stdio::ax_console_write_bytes(color_suffix) {
+            return Err(e);
+        }
+
+        result
+    }
+```
+
+
+MMIO：将设备寄存器直接映射到内存空间上，并具有独立的地址
+`u_3_0`模拟闪存磁盘，启动时自动从文件加载内容到固定的MMIO区域。（对读操作不需要驱动，直接访问）
+
+paging特征决定了是否启动后期重建完成的空间映射
+
+
+### 课后练习3：实现bump内存分配算法
+
+**引导问题（bootstrap problem）**，也被称为“先有鸡还是先有蛋”的问题。内核在刚启动时，需要分配内存来建立自己的数据结构（例如内存映射、页表等），但此时还不知道系统中有多少物理内存，也没有初始化内存分配器。然而，要调用库函数（如用于解析设备树、初始化驱动等），可能需要动态内存分配。这就导致了一个悖论：**需要分配内存来初始化内存管理，但又需要内存管理来分配内存**。
+**练习：在引导阶段实现bump内存分配**
+分别为`BaseAllocator`，`ByteAllocator`，`PageAllocator`实现特征即可
+
+
+实现相关特征即可，注意在页分配的时候进行对齐，字节分配器下的`dealloc`只需对count进行操作即可
+```rust
+pub struct EarlyAllocator {
+    start: usize,
+    end: usize,
+    b_pos: usize,
+    p_pos: usize,
+    count: usize,
+}
+
+impl EarlyAllocator {
+    pub const fn new() -> Self {
+        Self {
+            start: 0,
+            end: 0,
+            b_pos: 0,
+            p_pos: 0,
+            count: 0,
+        }
+    }
+}
+
+
+impl BaseAllocator for EarlyAllocator {
+    fn init(&mut self, start: usize, size: usize) {
+        self.start = start;
+        self.end = start + size;
+        self.b_pos = start;
+        self.p_pos = self.end;
+        self.count = 0;
+    }
+
+    fn add_memory(&mut self, start: usize, size: usize) -> AllocResult {
+        self.end += size;
+        Ok(())
+    }
+}
+
+impl ByteAllocator for EarlyAllocator {
+    fn alloc(&mut self, layout: Layout) -> AllocResult<NonNull<u8>> {
+        let size = layout.size();
+
+        if self.b_pos + size > self.p_pos {
+            return Err(allocator::AllocError::NoMemory);
+        }
+
+        let ptr = self.b_pos;
+        self.b_pos = self.b_pos + size;
+        self.count += 1;
+
+        unsafe { Ok(NonNull::new_unchecked(ptr as *mut u8)) }
+    }
+
+    fn dealloc(&mut self, _pos: NonNull<u8>, _layout: Layout) {
+        if self.count > 0 {
+            self.count -= 1;
+        }
+        if self.count == 0 {
+            self.b_pos = self.start;
+        }
+    }
+
+    fn total_bytes(&self) -> usize {
+        self.end - self.start
+    }
+
+    fn used_bytes(&self) -> usize {
+        self.b_pos - self.start
+    }
+
+    fn available_bytes(&self) -> usize {
+        self.p_pos - self.b_pos
+    }
+}
+
+
+
+impl PageAllocator for EarlyAllocator {
+    const PAGE_SIZE: usize = 0x1000; 
+
+    fn alloc_pages(&mut self, num_pages: usize, align_pow2: usize) -> AllocResult<usize> {
+        let size = num_pages * Self::PAGE_SIZE;
+
+        let new_p_pos = (self.p_pos - size) & !(align_pow2 - 1);
+
+        if new_p_pos < self.b_pos {
+            return Err(allocator::AllocError::NoMemory);
+        }
+
+        self.p_pos = new_p_pos;
+        Ok(self.p_pos)
+    }
+
+    fn dealloc_pages(&mut self, _pos: usize, _num_pages: usize) {
+    }
+
+    fn total_pages(&self) -> usize {
+        (self.end - self.start) / Self::PAGE_SIZE
+    }
+
+    fn used_pages(&self) -> usize {
+        (self.end - self.p_pos) / Self::PAGE_SIZE
+    }
+
+    fn available_pages(&self) -> usize {
+        (self.p_pos - self.b_pos) / Self::PAGE_SIZE
+    }
+}
+
+```
+
+
+
+**增加`axsync`**
+抢占式调度机制
+触发优先级高的任务及时获得调用机会，避免个别任务长期不合理占据CPU
+
+支持从磁盘块设备读数据，替换PFlash
+管理方式：`static` or `dyn`
+
+块设备驱动Trait：`BlockDriverOps`
+### 课后练习4：为shell增加文件操作命令
+
+底层以fatfs为框架实现好了，我们只需调用api即可
+```rust
+fn do_mv(args: &str) {
+    let args = args.trim();
+    if args.is_empty() {
+        print_err!("mv", "missing operand");
+        return;
+    }
+
+    let mut paths = args.split_whitespace();
+    let src = match paths.next() {
+        Some(p) => p,
+        None => {
+            print_err!("mv", "missing source file");
+            return;
+        }
+    };
+
+    let dest_dir = match paths.next() {
+        Some(p) => p,
+        None => {
+            print_err!("mv", "missing destination directory");
+            return;
+        }
+    };
+
+
+    let dest_path = format!("{}/{}", dest_dir, src);
+
+    if let Err(e) = fs::rename(src, &dest_path) {
+        print_err!("mv", format!("failed to move {} to {}", src, dest_dir), e);
+    }
+}
+
+fn do_rename(args: &str) {
+    let args = args.trim();
+    if args.is_empty() {
+        print_err!("rename", "missing operand");
+        return;
+    }
+
+    let mut paths = args.split_whitespace();
+    let old_name = match paths.next() {
+        Some(p) => p,
+        None => {
+            print_err!("rename", "missing old file name");
+            return;
+        }
+    };
+
+    let new_name = match paths.next() {
+        Some(p) => p,
+        None => {
+            print_err!("rename", "missing new file name");
+            return;
+        }
+    };
+    if let Err(e) = fs::rename(old_name, new_name) {
+        print_err!("rename", format!("failed to rename {} to {}", old_name, new_name), e);
+    }
+}
+```
+
+
+`ArceOS Unikernel`包括两阶段的地址映射
+Boot阶段默认开启1G空间的恒等映射
+如果需要支持设备的MMIO区间，通过指定一个`feature- "paging"`来实现重映射
+
+可选的重建映射
+1. 为了管理更大范围的地址空间，包括设备的MMIO范围
+2. 分类和权限的细粒度控制
+
+
+
+## 宏内核
+
+- 增加了用户特权级
+- 创建独立的用户地址空间
+- 内核运行运行时可以随时加载应用Image投入运行
+- 应用与内核界限分明
+
+高端内核空间，低端用户应用空间
+
+---
+
+**宏内核的地址空间管理**
+
+地址空间区域映射后端
+1. linear：对应物理地址必须连续
+2. alloc：按页映射，可能不连续
+
+多级调用`handle_page_fault`
+
+populate为true时，申请页帧后直接完成映射；为false时仅建立空映射
+
+**如何让Linux的原始应用直接在我们宏内核上直接运行**
+
+实现兼容页面，包含`syscall`，`procfs & sysfs`等伪文件系统，`awareness of aspace`
+
+**ELF格式应用的加载**
+
+
+>需要注意文件内偏移和预定的虚拟地址空间内的偏移可能不一致，特别是数据段的部分
+
+存零，清零
+
+**应用的用户栈的初始化**
+支持系统调用的层次结构
+
+系统调用号与体系结构相关
+
+对Linux常用文件系统的支持
+
+**课后练习：实现mmap系统调用**
+
+## Hypervisor
+
+建立最简化的`Hypervisor
+过程
+新建地址空间，加载内核镜像
+准备上下文
+设置两级页表
+切换V模式
+OS内核只有一条指令：调用`sbi-call`的关机操作。但由于这种操作超出了V模式的权限，导致`VM_EXIT`退出虚拟机，切换回Hypervisor
+Hypervisor响应`VM_EXIT`的函数（`vmexit_handler`）检查退出原因和参数，进行处理，由于时请求关机，清理虚拟机后退出
+
+进入虚拟化模式准备的条件
+ISA寄存器misa第7位代表Hypervisor扩展的启用/禁止。
+进入V模式路径的控制：hstatus第7位SPV记录上一次进入HS特权级前的模式，1代表来自虚拟化模式。
+执行sret时，根据SPV决定是返回用户态，还是返回虚拟化模式。
+Hypervisor首次启动Guest的内核之前，伪造上下文作准备：
+设置Guest的sstatus，让其初始特权级为Supervisor；
+设置Guest的sepc为OS启动入口地址VM_ENTRY，VM_ENTRY值就是内核启动的入口地址，
+对于Riscv64，其地址是0x8020_0000。
+
+
+**如何从pflash设备读出数据**
+1. 模拟模式：为虚拟机模拟一个`pflash`
+2. 透传模式：直接把qumu的pflash透传给虚拟机
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+**地址映射的支持**
+两阶段的地址映射
+GVA -> GPA -> HPA
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+虚拟机时钟中断
+为了支持抢占式调度
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+问题：宿主环境失效问题
+通过中断注入
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