aarch64/doc: add context switch

2024-11-21 23:56:18 +04:00 · 2018-12-31 16:20:39 +08:00 · 2018-12-31 16:20:39 +08:00 · 1523e7ea5f
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@ -1,6 +1,6 @@
-# 启动
+# 启动与初始化

-## 启动流程
+## 树莓派启动流程

 树莓派的启动流程如下：

@ -189,3 +189,37 @@ AArch64 有 4 个异常级别，相当于 x86 的特权级，分别为：
        bl      rust_main
        b       halt
    ```
+
+## rust_main
+
+在 `boot.S` 初始化完毕后，会进入 Rust 函数 `rust_main()`：
+
+```rust
+/// The entry point of kernel
+#[no_mangle] // don't mangle the name of this function
+pub extern "C" fn rust_main() -> ! {
+    memory::init_mmu_early(); // Enable mmu and paging
+    board::init_serial_early();
+
+    crate::logging::init();
+    interrupt::init();
+    memory::init();
+    driver::init();
+    println!("{}", LOGO);
+
+    crate::process::init();
+
+    crate::kmain();
+}
+```
+
+流程如下：
+
+1. 建立临时页表，启动 MMU；
+2. 初始化串口输入输出，可以使用 `println!()` 等宏了；
+3. 初始化 logging 模块，可以使用 `info!()`、`error!()` 等宏了；
+4. 初始化中断，其实就是设置了异常向量基址；
+5. 初始化内存管理，包括物理页帧分配器与内核堆分配器，最后会建立一个新的页表重新映射内核；
+6. 初始化其他设备驱动，包括 Frambuffer、Console、Timer；
+7. 初始化进程管理，包括线程调度器、进程管理器，并为每个核建立一个 idle 线程，最后会加载 SFS 文件系统加入用户态 shell 进程；
+8. 最后调用 `crate::kmain()`，按调度器轮流运行创建的线程。
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@ -1 +1,226 @@
 # 上下文切换
+
+平台无关的代码位于 `kernel/src/process/context.rs` 中，而平台相关(aarch64)的代码位于 `kernel/src/arch/aarch64/interrupt/context.rs` 中。
+
+## 相关数据结构
+
+在 `kernel/src/arch/aarch64/interrupt/context.rs` 中定义了下列数据结构：
+
+1. `TrapFrame`:
+
+    ```rust
+    pub struct TrapFrame {
+        pub elr: usize,
+        pub spsr: usize,
+        pub sp: usize,
+        pub tpidr: usize, // currently unused
+        // pub q0to31: [u128; 32], // disable SIMD/FP registers
+        pub x1to29: [usize; 29],
+        pub __reserved: usize,
+        pub x30: usize, // lr
+        pub x0: usize,
+    }
+    ```
+
+    在陷入异常时向栈中压入的内容，由 `trap.S` 的 `__alltraps` 构建。详见“中断与异常”章节。
+
+2. `ContextData`:
+
+    ```rust
+    struct ContextData {
+        x19to29: [usize; 11],
+        lr: usize,
+    }
+    ```
+
+    执行上下文切换时向栈中压入的内容，由 `__switch()` 函数构建。仅需保存 callee-saved 寄存器(被调用者保存，即 `x19~x30`)。详见下节“切换流程”。
+
+3. `InitStack`:
+
+    ```rust
+    pub struct InitStack {
+        context: ContextData,
+        tf: TrapFrame,
+    }
+    ```
+
+    对于新创建的线程，不仅要向栈中压入 `ContextData` 结构，还需手动构造 `TrapFrame` 结构。为了方便管理就定义了 `InitStack` 包含这两个结构体。
+
+4. `Context`:
+
+    ```rust
+    pub struct Context {
+        stack_top: usize,
+        ttbr: PhysFrame,
+        asid: Asid,
+    }
+    ```
+
+    每个进程控制块 `Process` (`kernel/src/process/context.rs`) 都会维护一个平台相关的 `Context` 对象，在 aarch64 中包含下列信息：
+
+    1. `stack_top`：内核栈顶地址；
+    2. `ttbr`：页表基址；
+    3. `asid`：Address Space ID，详见下文“页表切换与 ASID 机制”。
+
+## 切换流程
+
+在 `kernel/src/process/context.rs` 里，`switch_to()` 是平台无关的切换函数，最终会调用 `kernel/src/arch/aarch64/interrupt/context.rs` 里平台相关的切换函数 `Context::switch()`：
+
+```rust
+pub unsafe fn switch(&mut self, target: &mut Self) {
+    target.asid = ASID_ALLOCATOR.lock().alloc(target.asid);
+
+    // with ASID we needn't flush TLB frequently
+    ttbr_el1_write_asid(1, target.asid.value, target.ttbr);
+    barrier::dsb(barrier::ISH);
+    Self::__switch(&mut self.stack_top, &mut target.stack_top);
+}
+```
+
+### 页表切换与 ASID 机制
+
+首先进行的是页表的切换，即向 `TTBR1_EL1` 寄存器写入目标线程页表基址 `target.ttbr`。一般来说，切换页表后需要刷新 TLB，不过 aarch64 引入了 ASID (Address Space ID) 机制来避免频繁刷新 TLB。
+
+#### ASID 机制
+
+在页表项描述符中，有一个 `nG` 位，如果该位为 0，表示这页内存是全局可访问的(用于内核空间)；如果该位为 1，表示这页内存不是全局可访问的，只有特定线程可访问。具体地，如果页表项中该位为 1，当访问相应虚拟地址更新 TLB 时，会有额外的信息被写入 TLB，该信息即 ASID，由操作系统分配，下次在 TLB 中查找该虚拟地址时就会检查 TLB 表项中的 ASID 是否与当前 ASID 匹配。相当于为不同的 ASID 各自创建了一个页表。
+
+ASID 的大小可以为 8 位或 16 位，由 `TCR_EL1` 的 `AS` 字段指定，当前的 ASID 保存在 TTBR 的高位中，也可以由 `TCR_EL1` 的 `A1` 字段指定是 `TTBR0_EL1` 还是 `TTBR1_EL1`。在 RustOS 中，ASID 大小为 16 位，当前 ASID 保存在 `TTBR1_EL1` 的高 16 位。
+
+在 `switch()` 函数里，首先会为目标线程分配一个 ASID，然后同时将该 ASID 与 `target.ttbr` 写入 `TTBR1_EL1` 即可，无需进行 TLB 刷新。
+
+#### ASID 的分配
+
+ASID 的分配需要保证同一时刻不同线程的 ASID 是不同的。这一部分参考了 Linux，主要思想是每次上下文切换时检查该线程原来的 ASID 是否有效，如果无效需要重新分配并刷新 TLB。
+
+使用的数据结构如下：
+
+```rust
+struct Asid {
+    value: u16,
+    generation: u16,
+}
+
+struct AsidAllocator(Asid);
+```
+
+一个 ASID 结构由 16 位的 `value` 和 `generation` 组成，`value` 即 ASID 的具体值，`generation` 相当于时间戳。初始的 ASID 两个值都是 0，一定是无效的。该结构也被用于实现 ASID 分配器 `AsidAllocator`，此时该结构表示上一个被分配出去的 ASID。
+
+```rust
+const ASID_MASK: u16 = 0xffff;
+
+impl AsidAllocator {
+    fn new() -> Self {
+        AsidAllocator(Asid { value: 0, generation: 1 })
+    }
+
+    fn alloc(&mut self, old_asid: Asid) -> Asid {
+        if self.0.generation == old_asid.generation {
+            return old_asid;
+        }
+
+        if self.0.value == ASID_MASK {
+            self.0.value = 0;
+            self.0.generation = self.0.generation.wrapping_add(1);
+            if self.0.generation == 0 {
+                self.0.generation += 1;
+            }
+            tlb_invalidate_all();
+        }
+        self.0.value += 1;
+        return self.0;
+    }
+}
+```
+
+分配的流程如下：
+
+1. 判断 `old_asid` 是否等于 `self.0.generation`，如果相等说明这一代的 ASID 还是有效的，直接返回 `old_asid`；
+2. 否则，`old_asid` 已失效，如果当前代的 65535 个 ASID 没有分配完，就直接分配下一个；
+3. 如果当前代的 65535 个 ASID 都分配完了，就开始新的一代，同时刷新 TLB。
+
+### 寄存器与栈的切换
+
+这一部分即 `Context` 的 `__switch()` 函数，传入的两个参数 `_self_stack` 与 `_target_stack` 是两个引用，分别用于保存**当前线程内核栈顶**与**目标线程内核栈顶**。
+
+该函数用汇编实现(两个参数分别保存在 `x0` 和 `x1` 寄存器中)：
+
+```armasm
+mov x10, #-(12 * 8)
+add x8, sp, x10
+str x8, [x0]
+stp x19, x20, [x8], #16     // store callee-saved registers
+stp x21, x22, [x8], #16
+stp x23, x24, [x8], #16
+stp x25, x26, [x8], #16
+stp x27, x28, [x8], #16
+stp x29, lr, [x8], #16
+
+ldr x8, [x1]
+ldp x19, x20, [x8], #16     // restore callee-saved registers
+ldp x21, x22, [x8], #16
+ldp x23, x24, [x8], #16
+ldp x25, x26, [x8], #16
+ldp x27, x28, [x8], #16
+ldp x29, lr, [x8], #16
+mov sp, x8
+
+str xzr, [x1]
+ret
+```
+
+流程如下：
+
+1. 保存**当前栈顶** `sp` 到 `_self_stack` (`x0`)，保存 **callee-saved 寄存器**到当前栈上；
+2. 从 `_target_stack` (`x1`) 获取目标线程的**内核栈顶**，从目标线程内核栈顶恢复 **callee-saved 寄存器**；
+4. 将 `sp` 设为目标线程内核栈顶，将 `_target_stack` (`x1`) 里的内容清空；
+5. 使用 `ret` 指令返回，这会跳转到目标线程 `lr` 寄存器中存放的地址。
+
+为什么只保存了 `sp` 与 callee-saved 寄存器，而不是所有寄存器？因为执行上下文切换就是在调用一个函数，在调用前后编译器会自动保存并恢复 caller-saved 寄存器(调用者保存，即 `x0~x18`)。
+
+### 特权级切换
+
+特权级保存在 `TrapFrame` 的 `spsr` 中，在中断返回后即能自动进行特权级切换。通过构造特定的 `spsr` 可让新线程运行在指定的特权级。
+
+## 创建新线程
+
+线程可通过下列三种方式创建：
+
+1. 创建新的**内核线程**：直接给出一个内核函数；
+2. 创建新的**用户线程**：解析 ELF 文件；
+3. 从一个线程 **fork** 出一个新线程：通过 `fork` 系统调用。
+
+三种线程的平台无关创建流程实现在 `kernel/src/process/context.rs` 里，最终会分别调用 `kernel/src/arch/aarch64/interrupt/context.rs` 里的 `new_kernel_thread()`、`new_user_thread()` 和 `new_fork()` 这三个函数创建平台相关的 `Context` 结构。
+
+在这三个函数里，会构造 `ContextData` 与 `TrapFrame` 结构，构成一个 `InitStack`，并向新线程的内核栈压入 `InitStack` 结构，最后将新内核栈顶地址、页表基址等信息构成 `Context` 结构返回。这两个结构的构造方式如下：
+
+* `ContextData`:
+
+    三种线程的初始 `ContextData` 结构都一样：清空 `x19~x29` 寄存器，将 `lr` 寄存器设为 `__trapret`，表示在 `__switch()` 结束后立即返回 `__trapret`，避免破坏构建好的栈帧结构。
+
+* `TrapFrame`:
+
+    三种线程的 `TrapFrame` 各不相同：
+
+    1. 内核线程：
+
+        | `TrapFrame` 中的字段| 值                                     |
+        |---------------------|----------------------------------------|
+        | `x0`                | 内核线程参数 `arg`                     |
+        | `sp`                | 内核栈顶地址 `kstack_top`              |
+        | `elr`               | 内核线程入口函数 `entry` 的地址        |
+        | `spsr`              | `0b1101_00_0101`，切换到 EL1，启用 IRQ |
+        | 其他                | 清零                                   |
+
+    2. 用户线程：
+
+        | `TrapFrame` 中的字段| 值                                     |
+        |---------------------|----------------------------------------|
+        | `sp`                | 用户栈顶地址 `ustack_top`              |
+        | `elr`               | 用户线程入口地址 `entry_addr`          |
+        | `spsr`              | `0b1101_00_0000`，切换到 EL0，启用 IRQ |
+        | 其他                | 清零                                   |
+
+        注意用户线程是根据 ELF 文件创建的，参数即命令行参数，通过栈而不是寄存器传递。
+
+    3. fork 线程：直接复制父线程的 `TrapFrame`，并将 fork 的返回值 `x0` 设为 0。
--- a/docs/2_OSLab/g2/interrupt.md
+++ b/docs/2_OSLab/g2/interrupt.md
@ -1,4 +1,4 @@
-# 中断
+# 中断与异常

 ## AArch64 异常模型

@ -72,7 +72,7 @@

 ## RustOS 中的实现

-中断部分的代码主要位于 `kernel/src/arch/aarch64/interrupt/` 中。
+中断与异常部分的代码主要位于 `kernel/src/arch/aarch64/interrupt/` 中。

 ### 异常启用与屏蔽

@ -92,7 +92,7 @@ pub unsafe fn disable() {
 }
 ```

-此外，也可在中断返回前通过修改保存的 `SPSR` 寄存器启用或屏蔽中断，详见 `interrupt/context.rs` 中的 `TrapFrame::new_kernel_thread()` 与 `TrapFrame::new_user_thread()` 函数。
+此外，也可在异常返回前通过修改保存的 `SPSR` 寄存器启用或屏蔽异常，详见 `interrupt/context.rs` 中的 `TrapFrame::new_kernel_thread()` 与 `TrapFrame::new_user_thread()` 函数。

 ### 异常向量

--- a/docs/2_OSLab/g2/raspi3.md
+++ b/docs/2_OSLab/g2/raspi3.md
@ -10,8 +10,8 @@

 * [概述](overview.md)
 * [环境配置](environment.md)
-* [启动](boot.md)
-* [中断](interrupt.md)
+* [启动与初始化](boot.md)
+* [中断与异常](interrupt.md)
 * [内存管理](memory.md)
 * [上下文切换](context.md)
 * [设备驱动](drivers.md)