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概述
在操作多程序环境中，确保程序不会互相干扰的关键是合理安排它们的内存空间。利用位置无关代码和动态链接，可以在运行时动态确定程序的加载地址，避免冲突。多任务操作系统应支持上下文切换，允许每个进程有独立的栈空间以保存其状态。在切换任务时，操作系统需要更新程序计数器（PC）和栈指针（SP），确保程序正确执行。此外，虚拟内存技术是解决地址空间隔离的有效手段
在内存中加载多个程序问题
首先就是,多个程序的链接问题,如何确保第二的程序的链接地址,不会干扰第一个程序的内存空间.
要解决这个问题,就需要知道第一个程序的链接地址和空间大小.依次类推后续的程序.
编译的时候,是无从得知前一个程序的信息的.
可以使用位置无关代码来生成这些程序对应的elf文件,并且在加载的时候,动态分析每一个程序的地址和大小.并且记录这些信息.
在执行的时候,就可以切换了.注意,此时,我们在执行这些程序,需要有多任务切换的操作系统能力,并且,这里执行的程序的pc值都是真实的值(站在模拟器角度上)
使用虚拟页内存技术,来实现程序占用内存相互干扰的解决方案.
何时切换执行流
多个栈空间
每一个进程都有属于自己的栈空间,这样子是否必要,是否可以使用一个栈空间,抽象出多个栈空间?
首先不同进程的上下文是保存的栈中的,如果我们要切换执行流,就是在__am_*_trap中,切换sp指针,然后使用出栈操作获取上下文信息.
如果sp指针只在一个栈中,上下文保存在不同的位置,如果从下切换到上,执行了另一个进程,并且另一个进程有压栈和出栈操作,sp指针的移动很可能会覆盖下面的上下文信息(这里的上下就是从栈的角度出发,栈是从上(高低值)向下(低地址)增长的).
所以需要不同的栈空间.
如何利用多个栈空间.
回想代码,发现,之前在执行那些程序的时候,并没有设置sp指针的初始值.在nemu中,sp指针的值默认是0.
对nemu中的默认程序进行了sdb,全称sp是0.对nanos中加载的程序进行gdb,发现在最开始的时候出现了对sp的赋值操作.
然后我查阅了程序代码的编译部分发现.
在am中的start汇编代码中,出现了对sp的赋值,使用了_stack_pointer标号.,这个标号在am中的linker中被定义.
这里就是一个操作系统程序的整个堆栈的设置.
所以,这里就不必操心sp的初始化了,而是在上下文初始化的时候,进行sp的初始化吧,将sp初始化为为不同执行流分配的栈空间.
初始化上下文
一个进程,在第一次进入的时候,要切换到这个进程的上下文环境,那么在被执行之前,他的上下文环境是什么.
首先就是这个上下文环境的sp指针,用于指示该进程栈空间位置.
其次就是mepc值,我们在获得sp,通过出栈可以获得整个上下文信息,然后通过mepc跳转.
然后就是mstatus中的特权级,以及mcause中的原因值.
PCB是一个联合体,共享了一个数组,这个数组抽象是栈空间.
在kcontext中,就需要通过Area来索引到具体的Context位置进行初始化工作.
入口地址,一般就是函数地址,通常要调用函数时,需要传入参数.
现在arg就是参数指针,所以,应该将arg传入a0寄存器中.
对于Context和stack的联合.Context的位置,可以参考trap.S中对于上下文保存顺序.
工作机制
kcontext函数初始化了上下文环境,相当于给一个线程做好了铺垫(注意,这里是函数的上下文切换,可以参考c编程ucontext.h)
通过自陷(就是自陷,自己放弃cpu执行权,这是执行流自己决定的操作,为了更好执行操作逻辑流畅,因为不同进程执行,其一定是自己通过自陷来放弃执行权)
schedule返回了上下文指针.
最后会回到trap.S汇编中,61行汇编.
此时a0寄存器存储着上下文环境,我们需要根据这里的a0指针来索引到切换执行流的sp.
通过LOAD宏来索引.
然后就会切换到对应的执行流了.
schedule是通过cte_init注册的处理函数,只要发生自陷,就会调用这个调度函数.
在后续的处理中,我们需要将schedule放置到对于的系统调用中.
sp切换
关于在切换sp时,首先我们是在kcontext中初始化了sp值,放在了上下文缓存中的sp寄存器.
然后在汇编中,通过索引sp上下文寄存器来获得sp的值.
当执行流执行完毕,或者自陷.需要保存这个执行流的上下文,并且是sp指针.
但是在源代码中,并没有sp的入栈操作.
所以我添加了sp的入栈操作宏(准确来说是补充)
否则就是造成,在反复切换执行流的过程中,sp混乱(因为sp没有保存)
何时+4
在riscv中,mepc保存的是ecall指令的位置,在执行具体的处理程序的时候,要看程序的执行结果来决定是否要跳转会ecall指令,还是直接执行下一条指令.
所以我们应该在回调函数结束的时候,给mepc+4.
但是这里还没有设计到要依据什么,来决定还有重复执行ecall指令,所以我就在trap.S中,直接给epc+4.
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