[rCore學習筆記 021]多道程式與分時任務

来源:https://www.cnblogs.com/chenhan-winddevil/p/18341331
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寫在前面 本隨筆是非常菜的菜雞寫的。如有問題請及時提出。 可以聯繫：[email protected] GitHhub：https://github.com/WindDevil （目前啥也沒有 導讀 這裡就是第三章的開頭了,由於我的巨菜,導致天天半天理解不了關鍵點所在,唉,實在是太折磨人. 遵照上一 ...


寫在前面

本隨筆是非常菜的菜雞寫的。如有問題請及時提出。

可以聯繫：[email protected]

GitHhub：https://github.com/WindDevil （目前啥也沒有

導讀

這裡就是第三章的開頭了,由於我的巨菜,導致天天半天理解不了關鍵點所在,唉,實在是太折磨人.

遵照上一章開頭的時候的優良傳統,我個人感覺每次手冊給出feature都要想一想上一章對於這個功能我們是怎麼實現的,現在的功能是有什麼好處.這樣可以加深印象.

提高系統的性能和效率是操作系統的核心目標之一，本章展現了操作系統在性能上的一系列功能改進：

  • 通過提前載入應用程式到記憶體，減少應用程式切換開銷
  • 通過協作機制支持程式主動放棄處理器，提高系統執行效率
  • 通過搶占機制支持程式被動放棄處理器，保證不同程式對處理器資源使用的公平性，也進一步提高了應用對 I/O 事件的響應效率

同樣地,一定要去閱讀官方文檔,可能我關註的點並不夠全面.

這裡進行自己的頭腦風暴,思考實現方式:

  1. 提前載入應用程式到記憶體的方法:
    1. 使用更多的記憶體,把所有的應用程式一股腦地載入進去,然後把在記憶體中的地址返回
    2. 如果我不是把所有的應用程式全部都載入在記憶體中,那麼我們是怎麼知道等一下要運行哪個應用程式的呢?
  2. 實現協作機制和搶占機制的方法,感覺它寫的是應用程式主動放棄處理器,但是實際上做實現的時候我又想利用類似於中斷的方式解決問題,就是保存上下文然後跳轉那一套東西,至於如何計算時間,就很難想到其內部實現,我感覺這時候一定要使用到定時器了.

總而言之,腦子裡還是之前使用RT-Thread和FreeRTOS的時候的幼稚的.APP1->delay->搶占->APP2->APP1這種想法.

這時候就需要更深入的瞭解.

可以在這裡瞭解到,在 協作式 模式下,需要程式員主動在程式中寫一個 主動放棄處理器 的調用請求.

而對於 搶占式 , 則是使用 中斷 直接打斷程式運行,從而保證一個應用程式在執行完 一段時間 以後一定會讓出處理器,這裡截取一段官方文檔的描述:
操作系統可進一步利用某種以固定時長為時間間隔的外設中斷（比如時鐘中斷）來強制打斷一個程式的執行，這樣一個程式只能運行一段時間（可以簡稱為一個時間片, Time Slice）就一定會讓出處理器，且操作系統可以在處理外設的 I/O 響應後，讓不同應用程式分時占用處理器執行，並可通過統計程式占用處理器的總執行時間，來評估運行的程式對處理器資源的消耗。我們把這種運行方式稱為 分時共用（Time Sharing） 或 搶占式多任務（Multitasking） ，也可合併在一起稱為 分時多任務 。

這裡就從腦海的深處想起來關於 裸機編程 的東西,就是使用 定時器 中斷來實現分時復用,那麼和使用 搶占式 的分時復用有什麼區別呢?

  1. 定時器的數量有限
  2. 使用軟定時器解決問題對於固定行為固定時長的程式有效,但是對於含有各種複雜分支的程式就比較難辦

這裡還有一個問題,就是對於 波形採樣 這樣 時間敏感 型的任務,可以放心把它交給OS嗎?還是說需要結合 定時器中斷 和 OS 調度.那麼怎麼結合呢?

最後截取官方文檔對這章實現的定位和分類:
本章所介紹的多道程式和分時多任務系統都有一些共同的特點：在記憶體中同一時間可以駐留多個應用，而且所有的應用都是在系統啟動的時候分別載入到記憶體的不同區域中。由於目前電腦系統中只有一個處理器核，所以同一時間最多只有一個應用在執行（即處於運行狀態），剩下的應用處於就緒狀態或等待狀態，需要內核將處理器分配給它們才能開始執行。一旦應用開始執行，它就處於運行狀態了。
本章主要是設計和實現建立支持 多道程式 的二疊紀“鋸齒螈” 1 初級操作系統、支持 多道程式 的三疊紀“始初龍” 2 協作式操作系統和支持 分時多任務 的三疊紀“腔骨龍” 3 搶占式操作系統，從而對可支持運行一批應用程式的多種執行環境有一個全面和深入的理解，並可歸納抽象出 任務 、 任務切換 等操作系統的概念。

實踐體驗

同樣地,我們可以很方便地利用rCore-Tutorial-v3,體驗這兩種操作系統的實現.

首先我們需要切換到文件夾下cd ~/App/rCore-Tutorial-v3.

體驗多道程式操作系統

切換到多道操作系統並且運行:

git checkout ch3-coop
cd os
make run

這裡註意,如果你修改了分支的內容導致不能切換分支,你可以使用git checkout -- .來丟棄所有的更改,這樣就可以切換到新的分支.

運行結果:

[rustsbi] RustSBI version 0.3.1, adapting to RISC-V SBI v1.0.0
.______       __    __      _______.___________.  _______..______   __
|   _  \     |  |  |  |    /       |           | /       ||   _  \ |  |
|  |_)  |    |  |  |  |   |   (----`---|  |----`|   (----`|  |_)  ||  |
|      /     |  |  |  |    \   \       |  |      \   \    |   _  < |  |
|  |\  \----.|  `--'  |.----)   |      |  |  .----)   |   |  |_)  ||  |
| _| `._____| \______/ |_______/       |__|  |_______/    |______/ |__|
[rustsbi] Implementation     : RustSBI-QEMU Version 0.2.0-alpha.2
[rustsbi] Platform Name      : riscv-virtio,qemu
[rustsbi] Platform SMP       : 1
[rustsbi] Platform Memory    : 0x80000000..0x88000000
[rustsbi] Boot HART          : 0
[rustsbi] Device Tree Region : 0x87000000..0x87000f02
[rustsbi] Firmware Address   : 0x80000000
[rustsbi] Supervisor Address : 0x80200000
[rustsbi] pmp01: 0x00000000..0x80000000 (-wr)
[rustsbi] pmp02: 0x80000000..0x80200000 (---)
[rustsbi] pmp03: 0x80200000..0x88000000 (xwr)
[rustsbi] pmp04: 0x88000000..0x00000000 (-wr)
[kernel] Hello, world!
AAAAAAAAAA [1/5]
BBBBBBBBBB [1/2]
CCCCCCCCCC [1/3]
AAAAAAAAAA [2/5]
BBBBBBBBBB [2/2]
CCCCCCCCCC [2/3]
AAAAAAAAAA [3/5]
Test write_b OK!
[kernel] Application exited with code 0
CCCCCCCCCC [3/3]
AAAAAAAAAA [4/5]
Test write_c OK!
[kernel] Application exited with code 0
AAAAAAAAAA [5/5]
Test write_a OK!
[kernel] Application exited with code 0
All applications completed!

這個運行結果是這樣的 [ 1/5 ]的意思是執行到了第五次執行中的第一次,這樣就很容易理解這個程式的結果了,也就是輪流在執行都已經被載入到記憶體中的分別能輸出一串A,B,C的三個程式.

然後執行到限制的次數為止.

體驗分時多任務操作系統

cd ~/App/rCore-Tutorial-v3,再次回到根文件下,切換到分時多任務操作系統並運行:

git checkout ch3
cd os
make run

運行結果:

[rustsbi] RustSBI version 0.3.1, adapting to RISC-V SBI v1.0.0
.______       __    __      _______.___________.  _______..______   __
|   _  \     |  |  |  |    /       |           | /       ||   _  \ |  |
|  |_)  |    |  |  |  |   |   (----`---|  |----`|   (----`|  |_)  ||  |
|      /     |  |  |  |    \   \       |  |      \   \    |   _  < |  |
|  |\  \----.|  `--'  |.----)   |      |  |  .----)   |   |  |_)  ||  |
| _| `._____| \______/ |_______/       |__|  |_______/    |______/ |__|
[rustsbi] Implementation     : RustSBI-QEMU Version 0.2.0-alpha.2
[rustsbi] Platform Name      : riscv-virtio,qemu
[rustsbi] Platform SMP       : 1
[rustsbi] Platform Memory    : 0x80000000..0x88000000
[rustsbi] Boot HART          : 0
[rustsbi] Device Tree Region : 0x87000000..0x87000f02
[rustsbi] Firmware Address   : 0x80000000
[rustsbi] Supervisor Address : 0x80200000
[rustsbi] pmp01: 0x00000000..0x80000000 (-wr)
[rustsbi] pmp02: 0x80000000..0x80200000 (---)
[rustsbi] pmp03: 0x80200000..0x88000000 (xwr)
[rustsbi] pmp04: 0x88000000..0x00000000 (-wr)
[kernel] Hello, world!
power_3 [10000/200000]
power_3 [20000/200000]
power_3 [30000/200000]
power_3 [40000/200000]
power_3 [50000/200000]
power_3 [60000/200000]
power_3 [70000/200000]
power_3 [80000/200000]
power_3 [90000/200000]
power_3 [100000/200000]
power_3 [110000/200000]
power_3 [120000/200000]
power_3 [130000/200000]
power_3 [140000/200000]
power_3 [150000/200000]
power_3 [160000/200000]
power_3 [170000/200000]
power_3 [180000/200000]
power_3 [190000/200000]
power_3 [200000/200000]
3^200000 = 871008973(MOD 998244353)
Test power_3 OK!
[kernel] Application exited with code 0
power_5 [10000/140000]
power_5 [20000/140000]
power_5 [30000/140000]
power_5 [40000/140000]
power_5 [50000/140000]
power_5 [60000/140000]
power_5 [70000/140000]
power_5 [80000/140000]
power_5 [90000/140000]
power_5 [100000/140000]
power_5 [110000/140000]
power_5 [120000/140000]
power_7 [10000/160000]
power_7 [20000/160000]
power_7 [30000/160000]
power_7 [40000/160000]
power_7 [50000/160000]
power_7 [60000/160000]
power_7 [70000/160000]
power_7 [80000/160000]
power_7 [90000/160000]
power_7 [100000/160000]
power_7 [110000/160000]
power_7 [120000/160000]
power_7 [130000/160000]
power_7 [140000/160000]
power_7 [150000/160000]
power_7 [160000/160000]
7^160000 = 667897727(MOD 998244353)
Test power_7 OK!
[kernel] Application exited with code 0
power_5 [130000/140000]
power_5 [140000/140000]
5^140000 = 386471875(MOD 998244353)
Test power_5 OK!
[kernel] Application exited with code 0
Test sleep OK!
[kernel] Application exited with code 0
All applications completed!

官方文檔對它的解析為:
分時多任務系統應用分為兩種。編號為 00/01/02 的應用分別會計算質數 3/5/7 的冪次對一個大質數取模的餘數，並會將結果階段性輸出。編號為 03 的應用則會等待三秒鐘之後再退出。以 k210 平臺為例，我們將會看到 00/01/02 三個應用分段完成它們的計算任務，而應用 03 由於等待時間過長總是最後一個結束執行。

代碼結構

這是本章 多道程式操作系統 的代碼結構:

這是上一章的代碼結構,可以看到本章的 多道任務 是多了幾個APP的框圖在U-Mode:

這是更進一步的 協作式分時操作系統 的框圖:

首先先說我自己看到這張圖的感受,

  1. 在原本的多道系統的基礎上為每個APP都增加了一個保存上下文的棧.
  2. 把AppManager拆分成Loader和TaskManager.
  3. 增加了任務狀態和任務上下文的概念,應該是用於分時復用,但是不知道具體怎麼實現的.
  4. 為CPU增加了一條時間線,應該是用於分時復用,但是不知道具體怎麼實現的.

通過查看官方文檔,我們可以另外補充到一些我們不知道的東西:
如果當前應用程式正在運行，則該應用對應的任務處於運行（Running）狀態；如果該應用主動放棄處理器，則該應用對應的任務處於就緒（Ready）狀態。操作系統進行任務切換時，需要把要暫停任務的上下文（即任務用到的通用寄存器）保存起來，把要繼續執行的任務的上下文恢復為暫停前的內容，這樣就能讓不同的應用協同使用處理器了。

這是更進一步的 搶占式多任務操作系統 的框圖:

同樣地,先觀察這個圖講出自己的感受:

  1. 初看和 協作式 沒有什麼不同之處
  2. 細看發現在Trap_handler,裡邊增加了Timer的調度,可能和我想得一樣是用定時器來觸發中斷然後實現時間片的輪轉.

實際上官方文檔的描述也大致如此.

本章代碼導讀

這一部分的作者寫得太好了,我直接無話可說.直接點擊觀看吧.

本章的重點是實現對應用之間的協作式和搶占式任務切換的操作系統支持。與上一章的操作系統實現相比，有如下一些不同的情況導致實現上也有差異：

  • 多個應用同時放在記憶體中，所以他們的起始地址是不同的，且地址範圍不能重疊
  • 應用在整個執行過程中會暫停或被搶占，即會有主動或被動的任務切換

這些實現上差異主要集中在對應用程式執行過程的管理、支持應用程式暫停的系統調用和主動切換應用程式所需的時鐘中斷機制的管理。

對於第一個不同情況，需要對應用程式的地址空間佈局進行調整，每個應用的地址空間都不相同，且不能重疊。這並不要修改應用程式本身，而是通過一個腳本 build.py 來針對每個應用程式修改鏈接腳本 linker.ld 中的 BASE_ADDRESS ，讓編譯器在編譯不同應用時用到的 BASE_ADDRESS 都不同，且有足夠大的地址間隔。這樣就可以讓每個應用所在的記憶體空間是不同的。

對於第二個不同情況，需要實現任務切換，這就需要在上一章的 Trap 上下文切換的基礎上，再加上一個 Task 上下文切換，才能完成完整的任務切換。這裡面的關鍵數據結構是表示應用執行上下文的 TaskContext 數據結構和具體完成上下文切換的彙編語言編寫的 __switch 函數。一個應用的執行需要被操作系統管理起來，這是通過 TaskControlBlock 數據結構來表示應用執行上下文的動態執行過程和狀態（運行態、就緒態等）。而為了做好應用程式第一次執行的前期初始化準備， TaskManager 數據結構的全局變數實例 TASK_MANAGER 描述了應用程式初始化所需的數據， 而對 TASK_MANAGER 的初始化賦值過程是實現這個準備的關鍵步驟。

應用程式可以在用戶態執行中主動暫停，這需要有新的系統調用 sys_yield 的實現來支持；為了支持搶占應用執行的搶占式切換，還要添加對時鐘中斷的處理。有了時鐘中斷，就可以在確定時間間隔內打斷應用的執行，並主動切換到另外一個應用，這部分主要是通過對 trap_handler 函數中進行擴展，來完成在時鐘中斷產生時可能進行的任務切換。 TaskManager 數據結構的成員函數 run_next_task 來具體實現基於任務控制塊的任務切換，並會具體調用 __switch 函數完成硬體相關部分的任務上下文切換。


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