Физические принципы работы памяти

Мы знаем, что обычно физический адрес обращается к блоку DRAM. Мы можем рассматривать его как большой массив байтов, в котором можно найти соответствующую позицию для чтения и записи с помощью физического адреса. Однако физический адрес не только обращается к DRAM, но также может использоваться для доступа к другим периферийным устройствам. Поэтому мы можем считать DRAM разновидностью периферийного устройства, а физический адрес — это абстракция среды хранения данных.

Если для доступа к другому периферийному устройству необходимо использовать разные инструкции (например, x86 предоставляет отдельные инструкции in и out для доступа к пространству ввода-вывода, отличному от пространства памяти), это может быть довольно неудобно. Поэтому многие архитектуры набора команд (такие как RISC-V, ARM и MIPS) используют технологию MMIO (Memory Mapped I/O), чтобы отобразить периферийные устройства на определённый диапазон физических адресов. Таким образом, доступ к периферийным устройствам становится таким же, как и доступ к физической памяти.

Теперь давайте рассмотрим физическую память.

Обнаружение физической памяти

Как операционная система узнаёт о физическом адресе, где находится физическая память? В RISC-V это обычно выполняется загрузчиком, например, OpenSBI. Он сканирует все периферийные устройства, включая те, которые находятся внутри системы, и сохраняет результаты сканирования в формате DTB (Device Tree Blob) в определённом месте в физической памяти. Затем OpenSBI сохраняет его адрес в регистре a1, чтобы мы могли его использовать.

Результаты сканирования описывают информацию обо всех периферийных устройствах, включая физическую память в QEMU-симулированном компьютере RISC-V Virt.

[info] Физическая память в QEMU-симулированном компьютере RISC-V Virt

Изучив определение virt_memmap[] в коде QEMU (hw/riscv/virt.c), можно понять детали физической компоновки памяти в QEMU-симулированном RISC-V Virt компьютере. Можно увидеть, что в физической памяти есть много пустых пространств (то есть областей без отображения), а также множество специфических адресов для периферийных устройств. Сейчас мы не понимаем их значения, но позже мы будем постепенно обращаться к ним. На данный момент нас интересует только последняя область, которая представляет собой пространство DRAM размером 128 МБ, которое будет управляться ОС.

Однако, чтобы упростить задачу, мы не собираемся анализировать этот результат самостоятельно. Мы знаем, что начальный физический адрес DRAM в QEMU составляет 0x80000000. В QEMU размер RAM можно указать с помощью опции -m, и по умолчанию он равен 128 MB. Следовательно, диапазон физических адресов DRAM по умолчанию составляет [0x80000000, 0x88000000).

Поскольку позже мы обсудим виртуальные адреса, физические страницы и виртуальные страницы, для дальнейшего различения вместо использования типа usize мы создаём класс PhysicalAddress. Затем мы реализуем для него ряд операций, таких как сложение, вычитание и вывод. Поскольку эта часть реализации больше ориентирована на Rust, чем на операционную систему, здесь не приводится код. Пожалуйста, обратитесь к файлу os/src/memory/address.rs.

Затем мы напрямую присваиваем конечный адрес DRAM физической памяти в ядре и одновременно записываем конечный адрес, используемый операционной системой (который указан в linker script как kernel_end).

lazy_static! {
    /// Конечный адрес кода ядра, который можно использовать для выделения памяти
    ///
    /// Из-за ограничений языка Rust мы можем только присвоить его как статическую переменную, вычисляемую во время выполнения, а не как константу
    pub static ref KERNEL_END_ADDRESS: PhysicalAddress = PhysicalAddress(kernel_end as usize);
}

extern "C" {
    /// Указан в `linker.ld` как конечный адрес кода ядра
    ///
    /// Как переменная существует в [`KERNEL_END_ADDRESS`]
    fn kernel_end();
}

Здесь используется макрос lazy_static, который помогает нам автоматически выполнять эти вычисления при первом использовании макроса lazy_static.

Наконец, мы добавляем вызовы модулей в различные файлы и пытаемся выполнить вывод в os/src/main.rs.