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rust重构mmio_buddy和mmio (#178)

* rust重构mmio_buddy和mmio

* mmio-buddy文档

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Co-authored-by: longjin <[email protected]>
houmkh 2 years ago
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commit
c2481452f8

+ 142 - 0
docs/kernel/memory_management/mmio.md

@@ -45,3 +45,145 @@ DragonOS中实现了MMIO地址空间的管理机制,本节将介绍它们。
 1. 取消mmio区域在页表中的映射。
 2. 将释放MMIO区域的VMA
 3. 将地址空间归还给mmio的伙伴系统。
+
+## MMIO的伙伴算法
+
+### 伙伴的定义
+
+&emsp;&emsp;同时满足以下三个条件的两个内存块被称为伙伴内存块:
+
+1. 两个内存块的大小相同
+2. 两个内存块的内存地址连续
+3. 两个内存块由同一个大块内存分裂得到
+
+### 伙伴算法
+
+&emsp;&emsp;伙伴(buddy)算法的作用是维护以及组织大块连续内存块的分配和回收,以减少系统时运行产生的外部碎片。伙伴系统中的每个内存块的大小均为$2^n$。 在DragonOS中,伙伴系统内存池共维护了1TB的连续存储空间,最大的内存块大小为$1G$,即$2^{30}B$,最小的内存块大小为$4K$,即 $2^{12}B$。
+
+&emsp;&emsp;伙伴算法的核心思想是当应用申请内存时,每次都分配比申请的内存大小更大的最小内存块,同时分配出去的内存块大小为$2^nB$。(e.g. 假设某应用申请了$3B$内存,显然并没有整数值n,使$2^n = 3$ ,且$3 \in [2^1,2^2]$,所以系统会去取一块大小为$2^2B$的内存块,将它分配给申请的应用,本次申请内存操作顺利完成。)
+
+&emsp;&emsp;那么当伙伴系统中没有如此“合适”的内存块时该怎么办呢?系统先会去寻找更大的内存块,如果找到了,则会将大内存块分裂成合适的内存块分配给应用。(e.g. 假设申请$3B$内存,此时系统中比$3B$大的最小内存块的大小为$16B$,那么$16B$会被分裂成两块$8B$的内存块,一块放入内存池中,一块继续分裂成两块$4B$的内存块。两块$4B$的内存块,一块放入内存池中,一块分配给应用。至此,本次申请内存操作顺利完成。)
+
+&emsp;&emsp;如果系统没有找到更大的内存块,系统将会尝试合并较小的内存块,直到符合申请空间的大小。(e.g. 假设申请$3B$内存,系统检查内存池发现只有两个$2B$的内存块,那么系统将会把这两个$2B$的内存块合并成一块$4B$的内存块,并分配给应用。至此,本次申请内存操作顺利完成。)
+
+&emsp;&emsp;最后,当系统既没有找到大块内存,又无法成功合并小块内存时,就会通知应用内存不够,无法分配内存。
+
+### 伙伴算法的数据结构
+
+```
+
+                                  MmioBuddyMemPool
+
+┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
+│                                                                                     │
+│                                 pool_start_addr                                     │
+│                                                                                     │
+├─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┤
+│                                                                                     │
+│                                    pool_size                                        │
+│                                                                                     │
+├─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┤
+│                                                                                     │
+│                                                                                     │
+│                                   free_regions                                      │
+│                                                                                     │
+│                                  ┌────────────┐                                     │
+│                                  │            │     ┌───────┐     ┌────────┐        │
+│                                  │ ┌────────┬─┼────►│       ├────►│        │        │
+│                                  │ │  list  │ │     │ vaddr │     │ vaddr  │        │
+│                                  │ │        │◄├─────┤       │◄────┤        │        │
+│                  MmioFreeRegionList├────────┤ │     └───────┘     └────────┘        │
+│                                  │ │num_free│ │                                     │
+│                                  │ └────────┘ │  MmioBuddyAddrRegion                │
+│          MMIO_BUDDY_MIN_EXP - 12 │      0     │                                     │
+│                                  ├────────────┤                                     │
+│                                  │      1     │                                     │
+│                                  ├────────────┤                                     │
+│                                  │      2     │                                     │
+│                                  ├────────────┤                                     │
+│                                  │      3     │                                     │
+│                                  ├────────────┤                                     │
+│                                  │     ...    │                                     │
+│                                  ├────────────┤                                     │
+│                                  │     ...    │                                     │
+│                                  ├────────────┤                                     │
+│          MMIO_BUDDY_MAX_EXP - 12 │     18     │                                     │
+│                                  └────────────┘                                     │
+│                                                                                     │
+│                                                                                     │
+│                                                                                     │
+└─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘
+```
+
+```rust
+
+/// 最大的内存块为1G,其幂为30
+const MMIO_BUDDY_MAX_EXP: u32 = PAGE_1G_SHIFT;
+/// 最小的内存块为4K,其幂为12                                  
+const MMIO_BUDDY_MIN_EXP: u32 = PAGE_4K_SHIFT;
+/// 内存池数组的大小为18
+const MMIO_BUDDY_REGION_COUNT: u32 = MMIO_BUDDY_MAX_EXP - MMIO_BUDDY_MIN_EXP + 1;
+
+/// buddy内存池
+pub struct MmioBuddyMemPool {
+    /// 内存池的起始地址
+    pool_start_addr: u64, 
+    /// 内存池大小:初始化为1TB
+    pool_size: u64,
+    /// 空闲内存块链表数组
+    /// MMIO_BUDDY_REGION_COUNT = MMIO_BUDDY_MAX_EXP - MMIO_BUDDY_MIN_EXP + 1
+    free_regions: [SpinLock<MmioFreeRegionList>; MMIO_BUDDY_REGION_COUNT as usize],
+}
+
+/// 空闲内存块链表结构体
+pub struct MmioFreeRegionList {
+    /// 存储了空闲内存块信息的结构体的链表
+    list: LinkedList<Box<MmioBuddyAddrRegion>>,
+    /// 当前链表空闲块的数量
+    num_free: i64,
+}
+
+/// mmio伙伴系统内部的地址区域结构体
+pub struct MmioBuddyAddrRegion {
+    /// 内存块的起始地址
+    vaddr: u64,
+}                                  
+                  
+```
+
+### 设计思路
+
+&emsp;&emsp;DragonOS中,使用`MmioBuddyMemPool`结构体作为buddy(为表述方便,以下将伙伴算法简称为buddy)内存池的数据结构,其记录了内存池的起始地址(pool_start_addr)以及内存池中内存块的总大小(pool_size),同时其维护了大小为`MMIO_BUDDY_REGION_COUNT`的双向链表数组(free_regions)。`free_regions`中的各个链表维护了若干空闲内存块(MmioBuddyAddrRegion)。
+
+&emsp;&emsp;`free_regions`的下标(index)与内存块的大小有关。由于每个内存块大小都为$2^{n}$ bytes,那么可以令$exp = n$。index与exp的换算公式如下:$index = exp - 12$。e.g. 一个大小为$2^{12}$ bytes的内存块,其$exp = 12$,使用上述公式计算得$index = 12 -12 = 0$,所以该内存块会被存入`free_regions[0].list`中。通过上述换算公式,每次取出或释放$2^n$大小的内存块,只需要操作`free_regions[n -12]`即可。DragonOS中,buddy内存池最大的内存块大小为$1G =  2^{30}bytes$,最小的内存块大小为 $4K =  2^{12} bytes$,所以$index\in[0,18]$。
+
+&emsp;&emsp;作为内存分配机制,buddy服务于所有进程,为了解决在各个进程之间实现free_regions中的链表数据同步的问题,`free_regions`中的链表类型采用加了 {ref}`自旋锁 <_spinlock_doc_spinlock>`(SpinLock)的空闲内存块链表(MmioFreeRegionList),`MmioFreeRegionList`中封装有真正的存储了空闲内存块信息的结构体的链表(list)和对应链表长度(num_free)。有了自选锁后,同一时刻只允许一个进程修改某个链表,如取出链表元素(申请内存)或者向链表中插入元素(释放内存)。
+
+&emsp;&emsp;`MmioFreeRegionList`中的元素类型为`MmioBuddyAddrRegion`结构体,`MmioBuddyAddrRegion`记录了内存块的起始地址(vaddr)。
+
+### 伙伴算法内部api
+
+**P.S 以下函数均为MmioBuddyMemPool的成员函数。系统中已经创建了一个MmioBuddyMemPool类型的全局引用`MMIO_POOL`,如要使用以下函数,请以`MMIO_POOL.xxx()`形式使用,以此形式使用则不需要传入self。**
+
+| **函数名**                                                           | **描述**                                                    |
+|:----------------------------------------------------------------- |:--------------------------------------------------------- |
+| __create_region(&self, vaddr)                                     | 将虚拟地址传入,创建新的内存块地址结构体                                      |
+| __give_back_block(&self, vaddr, exp)                              | 将地址为vaddr,幂为exp的内存块归还给buddy                               |
+| __buddy_split(&self,region,exp,list_guard)                        | 将给定大小为$2^{exp}$的内存块一分为二,并插入内存块大小为$2^{exp-1}$的链表中          |
+| __query_addr_region(&self,exp,list_guard)                         | 从buddy中申请一块大小为$2^{exp}$的内存块                               |
+| mmio_buddy_query_addr_region(&self,exp)                           | 对query_addr_region进行封装,**请使用这个函数,而不是__query_addr_region** |
+| __buddy_add_region_obj(&self,region,list_guard)                   | 往指定的地址空间链表中添加一个内存块                                        |
+| __buddy_block_vaddr(&self, vaddr, exp)                            | 根据地址和内存块大小,计算伙伴块虚拟内存的地址                                   |
+| __pop_buddy_block( &self, vaddr,exp,list_guard)                   | 寻找并弹出指定内存块的伙伴块                                            |
+| __buddy_pop_region( &self,        list_guard)                     | 从指定空闲链表中取出内存区域                                            |
+| __buddy_merge(&self,exp,list_guard,high_list_guard)               | 合并所有$2^{exp}$大小的内存块                                       |
+| __buddy_merge_blocks(&self,region_1,region_2,exp,high_list_guard) | 合并两个**已经从链表中取出的**内存块                                      |
+
+### 伙伴算法对外api
+
+| **函数名**                                         | **描述**                                      |
+| ----------------------------------------------- | ------------------------------------------- |
+| __mmio_buddy_init()                             | 初始化buddy系统,**在mmio_init()中调用,请勿随意调用**       |
+| __exp2index(exp)                                | 将$2^{exp}$的exp转换成内存池中的数组的下标(index)          |
+| mmio_create(size,vm_flags,res_vaddr,res_length) | 创建一块根据size对齐后的大小的mmio区域,并将其vma绑定到initial_mm |
+| mmio_release(vaddr, length)                     | 取消地址为vaddr,大小为length的mmio的映射并将其归还到buddy中    |

+ 2 - 2
docs/requirements.txt

@@ -1,3 +1,3 @@
-sphinx
-myst-parser
+sphinx==5.0.2
+myst-parser==0.18.0
 sphinx-rtd-theme

+ 5 - 0
kernel/Cargo.toml

@@ -16,4 +16,9 @@ x86_64 = "0.14.10"
 [build-dependencies]
 bindgen = "0.61.0"
 
+[dependencies.lazy_static]
+version = "1.4.0"
+# 由于在no_std环境,而lazy_static依赖了spin库,因此需要指定其使用no_std
+features = ["spin_no_std"]
+
 

+ 1 - 0
kernel/src/include/bindings/wrapper.h

@@ -35,3 +35,4 @@
 #include <process/process.h>
 #include <sched/sched.h>
 #include <time/sleep.h>
+#include <mm/mm-types.h>

+ 2 - 0
kernel/src/lib.rs

@@ -33,6 +33,8 @@ mod smp;
 mod time;
 
 extern crate alloc;
+#[macro_use]
+extern crate lazy_static;
 
 use mm::allocator::KernelAllocator;
 

+ 1 - 3
kernel/src/mm/Makefile

@@ -2,7 +2,7 @@
 CFLAGS += -I .
 
 
-all:mm.o slab.o mm-stat.o vma.o mmap.o utils.o mmio.o mmio-buddy.o
+all:mm.o slab.o mm-stat.o vma.o mmap.o utils.o mmio.o 
 
 mm.o: mm.c
 	$(CC) $(CFLAGS) -c mm.c -o mm.o
@@ -25,5 +25,3 @@ utils.o: utils.c
 mmio.o: mmio.c
 	$(CC) $(CFLAGS) -c mmio.c -o mmio.o
 
-mmio-buddy.o: mmio-buddy.c
-	$(CC) $(CFLAGS) -c mmio-buddy.c -o mmio-buddy.o

+ 0 - 258
kernel/src/mm/mmio-buddy.c

@@ -1,258 +0,0 @@
-#include "mmio-buddy.h"
-#include <mm/slab.h>
-
-/**
- * @brief 将内存对象大小的幂转换成内存池中的数组的下标
- *
- */
-#define __exp2index(exp) (exp - 12)
-
-/**
- * @brief 计算伙伴块的内存虚拟地址
- *
- */
-#define buddy_block_vaddr(vaddr, exp) (vaddr ^ (1UL << exp))
-
-static struct mmio_buddy_mem_pool __mmio_pool; // mmio buddy内存池
-
-/**
- * @brief 往指定的地址空间链表中添加一个地址区域
- *
- * @param index
- * @param region
- * @return __always_inline
- */
-static __always_inline void __buddy_add_region_obj(int index, struct __mmio_buddy_addr_region *region)
-{
-    struct __mmio_free_region_list *lst = &__mmio_pool.free_regions[index];
-    list_init(&region->list);
-    list_append(&lst->list_head, &region->list);
-    ++lst->num_free;
-}
-
-/**
- * @brief 创建新的地址区域结构体
- *
- * @param vaddr 虚拟地址
- * @return 创建好的地址区域结构体
- */
-static __always_inline struct __mmio_buddy_addr_region *__mmio_buddy_create_region(uint64_t vaddr)
-{
-    // 申请内存块的空间
-    struct __mmio_buddy_addr_region *region =
-        (struct __mmio_buddy_addr_region *)kzalloc(sizeof(struct __mmio_buddy_addr_region), 0);
-    list_init(&region->list);
-    region->vaddr = vaddr;
-    return region;
-}
-
-/**
- * @brief 将给定大小为(2^exp)的地址空间一分为二,并插入下一级的链表中
- *
- * @param region 要被分割的地址区域
- * @param exp 要被分割的地址区域的大小的幂
- */
-static __always_inline void __buddy_split(struct __mmio_buddy_addr_region *region, int exp)
-{
-    // 计算分裂出来的新的伙伴块的地址
-    struct __mmio_buddy_addr_region *new_region = __mmio_buddy_create_region(buddy_block_vaddr(region->vaddr, exp - 1));
-    __buddy_add_region_obj(__exp2index(exp - 1), region);
-    __buddy_add_region_obj(__exp2index(exp - 1), new_region);
-}
-
-/**
- * @brief 合并两个伙伴块
- *
- * @param x 第一个伙伴块
- * @param y 第二个伙伴块
- * @param exp x、y大小的幂
- * @return int 错误码
- */
-static __always_inline int __buddy_merge_blocks(struct __mmio_buddy_addr_region *x, struct __mmio_buddy_addr_region *y,
-                                                int exp)
-{
-    // 判断这两个是否是一对伙伴
-    if (unlikely(x->vaddr != buddy_block_vaddr(y->vaddr, exp))) // 不是一对伙伴
-        return -EINVAL;
-
-    // === 是一对伙伴,将他们合并
-    // 减少计数的工作应在该函数外完成
-
-    // 释放y
-    __mmio_buddy_release_addr_region(y);
-    // 插入x
-    __buddy_add_region_obj(__exp2index(exp + 1), x);
-
-    return 0;
-}
-
-/**
- * @brief 从空闲链表中取出指定大小的内存区域, 并从链表中删除
- *
- * @param exp 内存大小的幂
- * @return __always_inline struct* 内存区域结构体
- */
-static __always_inline struct __mmio_buddy_addr_region *__buddy_pop_region(int exp)
-{
-    if (unlikely(list_empty(&__mmio_pool.free_regions[__exp2index(exp)].list_head)))
-        return NULL;
-    struct __mmio_buddy_addr_region *r = container_of(list_next(&__mmio_pool.free_regions[__exp2index(exp)].list_head),
-                                                      struct __mmio_buddy_addr_region, list);
-    list_del(&r->list);
-    // 区域计数减1
-    --__mmio_pool.free_regions[__exp2index(exp)].num_free;
-    return r;
-}
-
-/**
- * @brief 寻找给定块的伙伴块
- *
- * @param x 给定的内存块
- * @param exp 内存块大小
- * @return 伙伴块的指针
- */
-static __always_inline struct __mmio_buddy_addr_region *__find_buddy(struct __mmio_buddy_addr_region *x, int exp)
-{
-    // 当前为空
-    if (unlikely(list_empty(&__mmio_pool.free_regions[__exp2index(exp)].list_head)))
-        return NULL;
-    // 遍历链表以寻找伙伴块
-    uint64_t buddy_vaddr = buddy_block_vaddr(x->vaddr, exp);
-    struct List *list = &__mmio_pool.free_regions[__exp2index(exp)].list_head;
-
-    do
-    {
-        list = list_next(list);
-        struct __mmio_buddy_addr_region *bd = container_of(list, struct __mmio_buddy_addr_region, list);
-        if (bd->vaddr == buddy_vaddr) // 找到了伙伴块
-            return bd;
-    } while (list_next(list) != &__mmio_pool.free_regions[__exp2index(exp)].list_head);
-
-    return NULL;
-}
-/**
- * @brief 把某个大小的伙伴块全都合并成大小为(2^(exp+1))的块
- *
- * @param exp 地址空间大小(2^exp)
- */
-static void __buddy_merge(int exp)
-{
-    struct __mmio_free_region_list *free_list = &__mmio_pool.free_regions[__exp2index(exp)];
-    // 若链表为空
-    if (list_empty(&free_list->list_head))
-        return;
-
-    struct List *list = list_next(&free_list->list_head);
-
-    do
-    {
-        struct __mmio_buddy_addr_region *ptr = container_of(list, struct __mmio_buddy_addr_region, list);
-        // 寻找是否有伙伴块
-        struct __mmio_buddy_addr_region *bd = __find_buddy(ptr, exp);
-
-        // 一定要在merge之前执行,否则list就被重置了
-        list = list_next(list);
-
-        if (bd != NULL) // 找到伙伴块
-        {
-            free_list->num_free -= 2;
-            list_del(&ptr->list);
-            list_del(&bd->list);
-            __buddy_merge_blocks(ptr, bd, exp);
-        }
-
-    } while (list != &free_list->list_head);
-}
-
-/**
- * @brief 从buddy中申请一块指定大小的内存区域
- *
- * @param exp 内存区域的大小(2^exp)
- * @return struct __mmio_buddy_addr_region* 符合要求的内存区域。没有满足要求的时候,返回NULL
- */
-struct __mmio_buddy_addr_region *mmio_buddy_query_addr_region(int exp)
-{
-    if (unlikely(exp > MMIO_BUDDY_MAX_EXP || exp < MMIO_BUDDY_MIN_EXP))
-    {
-        BUG_ON(1);
-        return NULL;
-    }
-    
-    if (!list_empty(&__mmio_pool.free_regions[__exp2index(exp)].list_head))
-        goto has_block;
-
-    // 若没有符合要求的内存块,则先尝试分裂大的块
-    for (int cur_exp = exp; cur_exp <= MMIO_BUDDY_MAX_EXP; ++cur_exp)
-    {
-        if (unlikely(
-                list_empty(&__mmio_pool.free_regions[__exp2index(cur_exp)].list_head))) // 一直寻找到有空闲空间的链表
-            continue;
-
-        // 找到了,逐级向下split
-        for (int down_exp = cur_exp; down_exp > exp; --down_exp)
-        {
-            // 取出一块空闲区域
-            struct __mmio_buddy_addr_region *r = __buddy_pop_region(down_exp);
-            __buddy_split(r, down_exp);
-        }
-        break;
-    }
-
-    if (!list_empty(&__mmio_pool.free_regions[__exp2index(exp)].list_head))
-        goto has_block;
-
-    // 尝试合并小的伙伴块
-    for (int cur_exp = MMIO_BUDDY_MIN_EXP; cur_exp < exp; ++cur_exp)
-        __buddy_merge(cur_exp);
-    // 再次尝试获取符合要求的内存块,若仍不成功,则说明mmio空间耗尽
-    if (!list_empty(&__mmio_pool.free_regions[__exp2index(exp)].list_head))
-        goto has_block;
-    else
-        goto failed;
-failed:;
-    return NULL;
-has_block:; // 有可用的内存块,分配
-    return __buddy_pop_region(exp);
-}
-
-/**
- * @brief 归还一块内存空间到buddy
- *
- * @param vaddr 虚拟地址
- * @param exp 内存空间的大小(2^exp)
- * @return int 返回码
- */
-int __mmio_buddy_give_back(uint64_t vaddr, int exp)
-{
-    // 确保内存对齐,低位都要为0
-    if (vaddr & ((1UL << exp) - 1))
-        return -EINVAL;
-
-    struct __mmio_buddy_addr_region *region = __mmio_buddy_create_region(vaddr);
-    // 加入buddy
-    __buddy_add_region_obj(__exp2index(exp), region);
-    return 0;
-}
-
-/**
- * @brief 初始化mmio的伙伴系统
- *
- */
-void mmio_buddy_init()
-{
-    memset(&__mmio_pool, 0, sizeof(struct mmio_buddy_mem_pool));
-    spin_init(&__mmio_pool.op_lock);
-
-    // 初始化各个链表的头部
-    for (int i = 0; i < MMIO_BUDDY_REGION_COUNT; ++i)
-    {
-        list_init(&__mmio_pool.free_regions[i].list_head);
-        __mmio_pool.free_regions[i].num_free = 0;
-    }
-
-    // 创建一堆1GB的地址块
-    uint32_t cnt_1g_blocks = (MMIO_TOP - MMIO_BASE) / PAGE_1G_SIZE;
-    uint64_t vaddr_base = MMIO_BASE;
-    for (uint32_t i = 0; i < cnt_1g_blocks; ++i, vaddr_base += PAGE_1G_SIZE)
-        __mmio_buddy_give_back(vaddr_base, PAGE_1G_SHIFT);
-}

+ 0 - 79
kernel/src/mm/mmio-buddy.h

@@ -1,79 +0,0 @@
-#pragma once
-#include <common/sys/types.h>
-#include <common/glib.h>
-#include "mm-types.h"
-#include "mm.h"
-#include "slab.h"
-
-#define MMIO_BUDDY_MAX_EXP PAGE_1G_SHIFT
-#define MMIO_BUDDY_MIN_EXP PAGE_4K_SHIFT
-#define MMIO_BUDDY_REGION_COUNT (MMIO_BUDDY_MAX_EXP - MMIO_BUDDY_MIN_EXP + 1)
-
-/**
- * @brief mmio伙伴系统内部的地址区域结构体
- *
- */
-struct __mmio_buddy_addr_region
-{
-    struct List list;
-    uint64_t vaddr; // 该内存对象起始位置的虚拟地址
-};
-
-/**
- * @brief 空闲页数组结构体
- *
- */
-struct __mmio_free_region_list
-{
-    struct List list_head;
-    int64_t num_free; // 空闲页的数量
-};
-
-/**
- * @brief buddy内存池
- *
- */
-struct mmio_buddy_mem_pool
-{
-    uint64_t pool_start_addr; // 内存池的起始地址
-    uint64_t pool_size;       // 内存池的内存空间总大小
-    spinlock_t op_lock;       // 操作锁
-    /**
-     * @brief 空闲地址区域链表
-     * 数组的第i个元素代表大小为2^(i+12)的内存区域
-     */
-    struct __mmio_free_region_list free_regions[MMIO_BUDDY_REGION_COUNT];
-};
-
-/**
- * @brief 释放address region结构体
- *
- * @param region 待释放的结构体
- */
-static __always_inline void __mmio_buddy_release_addr_region(struct __mmio_buddy_addr_region *region)
-{
-    kfree(region);
-}
-
-/**
- * @brief 归还一块内存空间到buddy
- *
- * @param vaddr 虚拟地址
- * @param exp 内存空间的大小(2^exp)
- * @return int 返回码
- */
-int __mmio_buddy_give_back(uint64_t vaddr, int exp);
-
-/**
- * @brief 初始化mmio的伙伴系统
- *
- */
-void mmio_buddy_init();
-
-/**
- * @brief 从buddy中申请一块指定大小的内存区域
- *
- * @param exp 内存区域的大小(2^exp)
- * @return struct __mmio_buddy_addr_region* 符合要求的内存区域。没有满足要求的时候,返回NULL
- */
-struct __mmio_buddy_addr_region *mmio_buddy_query_addr_region(int exp);

+ 3 - 112
kernel/src/mm/mmio.c

@@ -1,118 +1,9 @@
 #include "mmio.h"
-#include "mmio-buddy.h"
 #include <common/math.h>
+extern void __mmio_buddy_init();
 
 void mmio_init()
 {
-    mmio_buddy_init();
-}
-
-/**
- * @brief 创建一块mmio区域,并将vma绑定到initial_mm
- *
- * @param size mmio区域的大小(字节)
- * @param vm_flags 要把vma设置成的标志
- * @param res_vaddr 返回值-分配得到的虚拟地址
- * @param res_length 返回值-分配的虚拟地址空间长度
- * @return int 错误码
- */
-int mmio_create(uint32_t size, vm_flags_t vm_flags, uint64_t *res_vaddr, uint64_t *res_size)
-{
-    int retval = 0;
-    // 申请的内存超过允许的最大大小
-    if (unlikely(size > PAGE_1G_SIZE || size == 0))
-        return -EPERM;
-
-    // 计算要从buddy中申请地址空间大小(按照2的n次幂来对齐)
-    int size_exp = 31 - __clz(size);
-    if (size_exp < PAGE_4K_SHIFT)
-    {
-        size_exp = PAGE_4K_SHIFT;
-        size = PAGE_4K_SIZE;
-    }
-    else if (size & (~(1 << size_exp)))
-    {
-        ++size_exp;
-        size = 1 << size_exp;
-    }
-    // 申请内存
-    struct __mmio_buddy_addr_region *buddy_region = mmio_buddy_query_addr_region(size_exp);
-    if (buddy_region == NULL) // 没有空闲的mmio空间了
-        return -ENOMEM;
-
-    *res_vaddr = buddy_region->vaddr;
-    *res_size = size;
-    // 释放region
-    __mmio_buddy_release_addr_region(buddy_region);
-
-    // ====创建vma===
-    // 设置vma flags
-    vm_flags |= (VM_IO | VM_DONTCOPY);
-    uint64_t len_4k = size % PAGE_2M_SIZE;
-    uint64_t len_2m = size - len_4k;
-    // 先创建2M的vma,然后创建4k的
-    for (uint32_t i = 0; i < len_2m; i += PAGE_2M_SIZE)
-    {
-
-        retval = mm_create_vma(&initial_mm, buddy_region->vaddr + i, PAGE_2M_SIZE, vm_flags, NULL, NULL);
-        if (unlikely(retval != 0))
-            goto failed;
-    }
-
-    for (uint32_t i = len_2m; i < size; i += PAGE_4K_SIZE)
-    {
-        retval = mm_create_vma(&initial_mm, buddy_region->vaddr + i, PAGE_4K_SIZE, vm_flags, NULL, NULL);
-        if (unlikely(retval != 0))
-            goto failed;
-    }
-    return 0;
-failed:;
-    kerror("failed to create mmio vma. pid=%d", current_pcb->pid);
-    // todo: 当失败时,将已创建的vma删除
-    return retval;
-}
-
-/**
- * @brief 取消mmio的映射并将地址空间归还到buddy中
- *
- * @param vaddr 起始的虚拟地址
- * @param length 要归还的地址空间的长度
- * @return int 错误码
- */
-int mmio_release(uint64_t vaddr, uint64_t length)
-{
-    int retval = 0;
-    // 先将这些区域都unmap了
-    mm_unmap(&initial_mm, vaddr, length, false);
-
-    // 将这些区域加入buddy
-    for (uint64_t i = 0; i < length;)
-    {
-        struct vm_area_struct *vma = vma_find(&initial_mm, vaddr + i);
-        if (unlikely(vma == NULL))
-        {
-            kerror("mmio_release failed: vma not found. At address: %#018lx, pid=%ld", vaddr + i, current_pcb->pid);
-            return -EINVAL;
-        }
-
-        if (unlikely(vma->vm_start != (vaddr + i)))
-        {
-            kerror("mmio_release failed: addr_start is not equal to current: %#018lx.", vaddr + i);
-            return -EINVAL;
-        }
-        // 往buddy中插入内存块
-        retval = __mmio_buddy_give_back(vma->vm_start, 31 - __clz(vma->vm_end - vma->vm_start));
-        i += vma->vm_end - vma->vm_start;
-
-        // 释放vma结构体
-        vm_area_del(vma);
-        vm_area_free(vma);
-
-        if (unlikely(retval != 0))
-            goto give_back_failed;
-    }
-    return 0;
-give_back_failed:;
-    kerror("mmio_release give_back failed: ");
-    return retval;
+    __mmio_buddy_init();
+    kinfo("mmio_init success");
 }

+ 3 - 20
kernel/src/mm/mmio.h

@@ -1,24 +1,7 @@
 #pragma once
 #include "mm.h"
 
+extern void mmio_buddy_init();
+extern void mmio_create();
+extern int mmio_release(int vaddr, int length);
 void mmio_init();
-
-/**
- * @brief 创建一块mmio区域,并将vma绑定到initial_mm
- *
- * @param size mmio区域的大小(字节)
- * @param vm_flags 要把vma设置成的标志
- * @param res_vaddr 返回值-分配得到的虚拟地址
- * @param res_length 返回值-分配的虚拟地址空间长度
- * @return int 错误码
- */
-int mmio_create(uint32_t size, vm_flags_t vm_flags, uint64_t * res_vaddr, uint64_t *res_size);
-
-/**
- * @brief 取消mmio的映射并将地址空间归还到buddy中
- * 
- * @param vaddr 起始的虚拟地址
- * @param size 要归还的地址空间的长度
- * @return int 错误码
- */
-int mmio_release(uint64_t vaddr, uint64_t size);

+ 634 - 0
kernel/src/mm/mmio_buddy.rs

@@ -0,0 +1,634 @@
+use crate::{
+    arch::asm::current::current_pcb,
+    include::bindings::bindings::{
+        initial_mm, mm_create_vma, mm_unmap, vm_area_del, vm_area_free, vm_area_struct, vm_flags_t,
+        vma_find, EINVAL, ENOMEM, EPERM, MMIO_BASE, MMIO_TOP, PAGE_1G_SHIFT, PAGE_1G_SIZE,
+        PAGE_2M_SIZE, PAGE_4K_SHIFT, PAGE_4K_SIZE, VM_DONTCOPY, VM_IO,
+    },
+    kdebug, kerror,
+    libs::spinlock::{SpinLock, SpinLockGuard},
+};
+use alloc::{boxed::Box, collections::LinkedList, vec::Vec};
+use core::{mem, ptr::null_mut};
+
+// 最大的伙伴块的幂
+const MMIO_BUDDY_MAX_EXP: u32 = PAGE_1G_SHIFT;
+// 最小的伙伴块的幂
+const MMIO_BUDDY_MIN_EXP: u32 = PAGE_4K_SHIFT;
+// 内存池数组的范围
+const MMIO_BUDDY_REGION_COUNT: u32 = MMIO_BUDDY_MAX_EXP - MMIO_BUDDY_MIN_EXP + 1;
+
+lazy_static! {
+    pub static ref MMIO_POOL: MmioBuddyMemPool = MmioBuddyMemPool::new();
+}
+
+pub enum MmioResult {
+    SUCCESS,
+    EINVAL,
+    ENOFOUND,
+    WRONGEXP,
+    ISEMPTY,
+}
+
+/// @brief buddy内存池
+pub struct MmioBuddyMemPool {
+    pool_start_addr: u64,
+    pool_size: u64,
+    free_regions: [SpinLock<MmioFreeRegionList>; MMIO_BUDDY_REGION_COUNT as usize],
+}
+impl Default for MmioBuddyMemPool {
+    fn default() -> Self {
+        MmioBuddyMemPool {
+            pool_start_addr: MMIO_BASE as u64,
+            pool_size: (MMIO_TOP - MMIO_BASE) as u64,
+            free_regions: unsafe { mem::zeroed() },
+        }
+    }
+}
+impl MmioBuddyMemPool {
+    fn new() -> Self {
+        return MmioBuddyMemPool {
+            ..Default::default()
+        };
+    }
+
+    /// @brief 创建新的地址区域结构体
+    ///
+    /// @param vaddr 虚拟地址
+    ///
+    /// @return 创建好的地址区域结构体
+    fn __create_region(&self, vaddr: u64) -> Box<MmioBuddyAddrRegion> {
+        let mut region: Box<MmioBuddyAddrRegion> = Box::new(MmioBuddyAddrRegion::new());
+        region.vaddr = vaddr;
+        return region;
+    }
+
+    /// @brief 将内存块归还给buddy
+    ///
+    /// @param vaddr 虚拟地址
+    ///
+    /// @param exp 内存空间的大小(2^exp)
+    ///
+    /// @param list_guard 【exp】对应的链表
+    ///
+    /// @return Ok(i32) 返回0
+    ///
+    /// @return Err(i32) 返回错误码
+    fn __give_back_block(&self, vaddr: u64, exp: u32) -> Result<i32, i32> {
+        // 确保内存对齐,低位都要为0
+        if (vaddr & ((1 << exp) - 1)) != 0 {
+            return Err(-(EINVAL as i32));
+        }
+        let region: Box<MmioBuddyAddrRegion> = self.__create_region(vaddr);
+        // 加入buddy
+        let list_guard: &mut SpinLockGuard<MmioFreeRegionList> =
+            &mut self.free_regions[__exp2index(exp)].lock();
+        self.__buddy_add_region_obj(region, list_guard);
+        return Ok(0);
+    }
+
+    /// @brief 将给定大小为2^{exp}的内存块一分为二,并插入内存块大小为2^{exp-1}的链表中
+    ///
+    /// @param region 要被分割的地址区域结构体(保证其已经从链表中取出)
+    ///
+    /// @param exp 要被分割的地址区域的大小的幂
+    ///
+    /// @param list_guard 【exp-1】对应的链表
+    fn __buddy_split(
+        &self,
+        region: Box<MmioBuddyAddrRegion>,
+        exp: u32,
+        low_list_guard: &mut SpinLockGuard<MmioFreeRegionList>,
+    ) {
+        let vaddr: u64 = self.__buddy_block_vaddr(region.vaddr, exp - 1);
+        let new_region: Box<MmioBuddyAddrRegion> = self.__create_region(vaddr);
+        self.__buddy_add_region_obj(region, low_list_guard);
+        self.__buddy_add_region_obj(new_region, low_list_guard);
+    }
+
+    /// @brief 从buddy中申请一块指定大小的内存区域
+    ///
+    /// @param exp 要申请的内存块的大小的幂(2^exp)
+    ///
+    /// @param list_guard exp对应的链表
+    ///
+    /// @return Ok(Box<MmioBuddyAddrRegion>) 符合要求的内存区域。
+    ///
+    /// @return Err(MmioResult)
+    /// - 没有满足要求的内存块时,返回ENOFOUND
+    /// - 申请的内存块大小超过合法范围,返回WRONGEXP
+    /// - 调用函数出错时,返回出错函数对应错误码
+    fn __query_addr_region(
+        &self,
+        exp: u32,
+        list_guard: &mut SpinLockGuard<MmioFreeRegionList>,
+    ) -> Result<Box<MmioBuddyAddrRegion>, MmioResult> {
+        // 申请范围错误
+        if exp < MMIO_BUDDY_MIN_EXP || exp > MMIO_BUDDY_MAX_EXP {
+            kdebug!("__query_addr_region: exp wrong");
+            return Err(MmioResult::WRONGEXP);
+        }
+        // 没有恰好符合要求的内存块
+        // 注意:exp对应的链表list_guard已上锁【注意避免死锁问题】
+        if list_guard.num_free == 0 {
+            // 找到最小符合申请范围的内存块
+            // 将大的内存块依次分成小块内存,直到能够满足exp大小,即将exp+1分成两块exp
+            for e in exp + 1..MMIO_BUDDY_MAX_EXP + 1 {
+                if self.free_regions[__exp2index(e) as usize].lock().num_free == 0 {
+                    continue;
+                }
+                for e2 in (exp + 1..e + 1).rev() {
+                    match self
+                        .__buddy_pop_region(&mut self.free_regions[__exp2index(e2) as usize].lock())
+                    {
+                        Ok(region) => {
+                            if e2 != exp + 1 {
+                                // 要将分裂后的内存块插入到更小的链表中
+                                let low_list_guard: &mut SpinLockGuard<MmioFreeRegionList> =
+                                    &mut self.free_regions[__exp2index(e2 - 1) as usize].lock();
+                                self.__buddy_split(region, e2, low_list_guard);
+                            } else {
+                                // 由于exp对应的链表list_guard已经被锁住了 不能再加锁
+                                // 所以直接将list_guard传入
+                                self.__buddy_split(region, e2, list_guard);
+                            }
+                        }
+                        Err(err) => {
+                            kdebug!("buddy_pop_region get wrong");
+                            return Err(err);
+                        }
+                    }
+                }
+                break;
+            }
+            // 判断是否获得了exp大小的内存块
+            if list_guard.num_free > 0 {
+                return Ok(list_guard.list.pop_back().unwrap());
+            }
+            // 拆分大内存块无法获得exp大小内存块
+            // 尝试用小内存块合成
+            // 即将两块exp合成一块exp+1
+            for e in MMIO_BUDDY_MIN_EXP..exp {
+                if e != exp - 1 {
+                    let high_list_guard: &mut SpinLockGuard<MmioFreeRegionList> =
+                        &mut self.free_regions[__exp2index(exp + 1)].lock();
+                    match self.__buddy_merge(
+                        e,
+                        &mut self.free_regions[__exp2index(e) as usize].lock(),
+                        high_list_guard,
+                    ) {
+                        Ok(_) => continue,
+                        Err(err) => {
+                            return Err(err);
+                        }
+                    }
+                } else {
+                    match self.__buddy_merge(
+                        e,
+                        &mut self.free_regions[__exp2index(e) as usize].lock(),
+                        list_guard,
+                    ) {
+                        Ok(_) => continue,
+                        Err(err) => {
+                            return Err(err);
+                        }
+                    }
+                }
+            }
+
+            //判断是否获得了exp大小的内存块
+            if list_guard.num_free > 0 {
+                return Ok(list_guard.list.pop_back().unwrap());
+            }
+            return Err(MmioResult::ENOFOUND);
+        } else {
+            return Ok(list_guard.list.pop_back().unwrap());
+        }
+    }
+
+    /// @brief 对query_addr_region进行封装
+    ///
+    /// @param exp 内存区域的大小(2^exp)
+    ///
+    /// @return Ok(Box<MmioBuddyAddrRegion>)符合要求的内存块信息结构体。
+    /// @return Err(MmioResult) 没有满足要求的内存块时,返回__query_addr_region的错误码。
+    fn mmio_buddy_query_addr_region(
+        &self,
+        exp: u32,
+    ) -> Result<Box<MmioBuddyAddrRegion>, MmioResult> {
+        let list_guard: &mut SpinLockGuard<MmioFreeRegionList> =
+            &mut self.free_regions[__exp2index(exp)].lock();
+        match self.__query_addr_region(exp, list_guard) {
+            Ok(ret) => return Ok(ret),
+            Err(err) => {
+                kdebug!("mmio_buddy_query_addr_region failed");
+                return Err(err);
+            }
+        }
+    }
+    /// @brief 往指定的地址空间链表中添加一个地址区域
+    ///
+    /// @param region 要被添加的地址结构体
+    ///
+    /// @param list_guard 目标链表
+    fn __buddy_add_region_obj(
+        &self,
+        region: Box<MmioBuddyAddrRegion>,
+        list_guard: &mut SpinLockGuard<MmioFreeRegionList>,
+    ) {
+        list_guard.list.push_back(region);
+        list_guard.num_free += 1;
+    }
+
+    /// @brief 根据地址和内存块大小,计算伙伴块虚拟内存的地址
+    #[inline(always)]
+    fn __buddy_block_vaddr(&self, vaddr: u64, exp: u32) -> u64 {
+        return vaddr ^ (1 << exp);
+    }
+
+    /// @brief 寻找并弹出指定内存块的伙伴块
+    ///
+    /// @param region 对应内存块的信息
+    ///
+    /// @param exp 内存块大小
+    ///
+    /// @param list_guard 【exp】对应的链表
+    ///
+    /// @return Ok(Box<MmioBuddyAddrRegion) 返回伙伴块的引用
+    /// @return Err(MmioResult)
+    /// - 当链表为空,返回ISEMPTY
+    /// - 没有找到伙伴块,返回ENOFOUND
+    fn __pop_buddy_block(
+        &self,
+        vaddr: u64,
+        exp: u32,
+        list_guard: &mut SpinLockGuard<MmioFreeRegionList>,
+    ) -> Result<Box<MmioBuddyAddrRegion>, MmioResult> {
+        if list_guard.list.len() == 0 {
+            return Err(MmioResult::ISEMPTY);
+        } else {
+            //计算伙伴块的地址
+            let buddy_vaddr = self.__buddy_block_vaddr(vaddr, exp);
+
+            // element 只会有一个元素
+            let mut element: Vec<Box<MmioBuddyAddrRegion>> = list_guard
+                .list
+                .drain_filter(|x| x.vaddr == buddy_vaddr)
+                .collect();
+            if element.len() == 1 {
+                list_guard.num_free -= 1;
+                return Ok(element.pop().unwrap());
+            }
+
+            //没有找到对应的伙伴块
+            return Err(MmioResult::ENOFOUND);
+        }
+    }
+
+    /// @brief 从指定空闲链表中取出内存区域
+    ///
+    /// @param list_guard 【exp】对应的链表
+    ///
+    /// @return Ok(Box<MmioBuddyAddrRegion>) 内存块信息结构体的引用。
+    ///
+    /// @return Err(MmioResult) 当链表为空,无法删除时,返回ISEMPTY
+    fn __buddy_pop_region(
+        &self,
+        list_guard: &mut SpinLockGuard<MmioFreeRegionList>,
+    ) -> Result<Box<MmioBuddyAddrRegion>, MmioResult> {
+        if !list_guard.list.is_empty() {
+            list_guard.num_free -= 1;
+            return Ok(list_guard.list.pop_back().unwrap());
+        }
+        return Err(MmioResult::ISEMPTY);
+    }
+
+    /// @brief 合并所有2^{exp}大小的内存块
+    ///
+    /// @param exp 内存块大小的幂(2^exp)
+    ///
+    /// @param list_guard exp对应的链表
+    ///
+    /// @param high_list_guard exp+1对应的链表
+    ///
+    /// @return Ok(MmioResult) 合并成功返回SUCCESS
+    /// @return Err(MmioResult)
+    /// - 内存块过少,无法合并,返回EINVAL
+    /// - __pop_buddy_block调用出错,返回其错误码
+    /// - __buddy_merge_blocks调用出错,返回其错误码
+    fn __buddy_merge(
+        &self,
+        exp: u32,
+        list_guard: &mut SpinLockGuard<MmioFreeRegionList>,
+        high_list_guard: &mut SpinLockGuard<MmioFreeRegionList>,
+    ) -> Result<MmioResult, MmioResult> {
+        // 至少要两个内存块才能合并
+        if list_guard.num_free <= 1 {
+            return Err(MmioResult::EINVAL);
+        }
+        loop {
+            if list_guard.num_free <= 1 {
+                break;
+            }
+            // 获取内存块
+            let vaddr: u64 = list_guard.list.back().unwrap().vaddr;
+            // 获取伙伴内存块
+            match self.__pop_buddy_block(vaddr, exp, list_guard) {
+                Err(err) => {
+                    return Err(err);
+                }
+                Ok(buddy_region) => {
+                    let region: Box<MmioBuddyAddrRegion> = list_guard.list.pop_back().unwrap();
+                    let copy_region: Box<MmioBuddyAddrRegion> = Box::new(MmioBuddyAddrRegion {
+                        vaddr: region.vaddr,
+                    });
+                    // 在两块内存都被取出之后才进行合并
+                    match self.__buddy_merge_blocks(region, buddy_region, exp, high_list_guard) {
+                        Err(err) => {
+                            // 如果合并失败了要将取出来的元素放回去
+                            self.__buddy_add_region_obj(copy_region, list_guard);
+                            kdebug!("__buddy_merge: __buddy_merge_blocks failed");
+                            return Err(err);
+                        }
+                        Ok(_) => continue,
+                    }
+                }
+            }
+        }
+        return Ok(MmioResult::SUCCESS);
+    }
+
+    /// @brief 合并两个【已经从链表中取出】的内存块
+    ///
+    /// @param region_1 第一个内存块
+    ///
+    /// @param region_2 第二个内存
+    ///
+    /// @return Ok(MmioResult) 成功返回SUCCESS
+    ///
+    /// @return Err(MmioResult) 两个内存块不是伙伴块,返回EINVAL
+    fn __buddy_merge_blocks(
+        &self,
+        region_1: Box<MmioBuddyAddrRegion>,
+        region_2: Box<MmioBuddyAddrRegion>,
+        exp: u32,
+        high_list_guard: &mut SpinLockGuard<MmioFreeRegionList>,
+    ) -> Result<MmioResult, MmioResult> {
+        // 判断是否为伙伴块
+        if region_1.vaddr != self.__buddy_block_vaddr(region_2.vaddr, exp) {
+            return Err(MmioResult::EINVAL);
+        }
+        // 将大的块放进下一级链表
+        self.__buddy_add_region_obj(region_1, high_list_guard);
+        return Ok(MmioResult::SUCCESS);
+    }
+}
+
+/// @brief mmio伙伴系统内部的地址区域结构体
+pub struct MmioBuddyAddrRegion {
+    vaddr: u64,
+}
+impl MmioBuddyAddrRegion {
+    pub fn new() -> Self {
+        return MmioBuddyAddrRegion {
+            ..Default::default()
+        };
+    }
+}
+impl Default for MmioBuddyAddrRegion {
+    fn default() -> Self {
+        MmioBuddyAddrRegion {
+            vaddr: Default::default(),
+        }
+    }
+}
+
+/// @brief 空闲页数组结构体
+pub struct MmioFreeRegionList {
+    /// 存储mmio_buddy的地址链表
+    list: LinkedList<Box<MmioBuddyAddrRegion>>,
+    /// 空闲块的数量
+    num_free: i64,
+}
+impl MmioFreeRegionList {
+    fn new() -> Self {
+        return MmioFreeRegionList {
+            ..Default::default()
+        };
+    }
+}
+impl Default for MmioFreeRegionList {
+    fn default() -> Self {
+        MmioFreeRegionList {
+            list: Default::default(),
+            num_free: 0,
+        }
+    }
+}
+
+/// @brief 初始化mmio的伙伴系统
+#[no_mangle]
+pub extern "C" fn __mmio_buddy_init() {
+    // 创建一堆1GB的地址块
+    let cnt_1g_blocks: u32 = ((MMIO_TOP - MMIO_BASE) / PAGE_1G_SIZE as i64) as u32;
+    let mut vaddr_base: u64 = MMIO_BASE as u64;
+    for _ in 0..cnt_1g_blocks {
+        match MMIO_POOL.__give_back_block(vaddr_base, PAGE_1G_SHIFT) {
+            Ok(_) => {
+                vaddr_base += PAGE_1G_SIZE as u64;
+            }
+            Err(_) => {
+                kerror!("__mmio_buddy_init failed");
+                return;
+            }
+        }
+    }
+}
+
+/// @brief 将内存对象大小的幂转换成内存池中的数组的下标
+///
+/// @param exp内存大小
+///
+/// @return 内存池数组下标
+#[inline(always)]
+fn __exp2index(exp: u32) -> usize {
+    return (exp - 12) as usize;
+}
+
+/// @brief 创建一块mmio区域,并将vma绑定到initial_mm
+///
+/// @param size mmio区域的大小(字节)
+///
+/// @param vm_flags 要把vma设置成的标志
+///
+/// @param res_vaddr 返回值-分配得到的虚拟地址
+///
+/// @param res_length 返回值-分配的虚拟地址空间长度
+///
+/// @return int 错误码
+#[no_mangle]
+pub extern "C" fn mmio_create(
+    size: u32,
+    vm_flags: vm_flags_t,
+    res_vaddr: *mut u64,
+    res_length: *mut u64,
+) -> i32 {
+    if size > PAGE_1G_SIZE || size == 0 {
+        return -(EPERM as i32);
+    }
+    let mut retval: i32 = 0;
+    // 计算前导0
+    let mut size_exp: u32 = 31 - size.leading_zeros();
+    // 记录最终申请的空间大小
+    let mut new_size: u32 = size;
+    // 对齐要申请的空间大小
+    // 如果要申请的空间大小小于4k,则分配4k
+    if size_exp < PAGE_4K_SHIFT {
+        new_size = PAGE_4K_SIZE;
+        size_exp = PAGE_4K_SHIFT;
+    } else if (new_size & (!(1 << size_exp))) != 0 {
+        // 向左对齐空间大小
+        size_exp += 1;
+        new_size = 1 << size_exp;
+    }
+    match MMIO_POOL.mmio_buddy_query_addr_region(size_exp) {
+        Ok(region) => {
+            unsafe {
+                *res_vaddr = region.vaddr;
+                *res_length = new_size as u64;
+            }
+            // 创建vma
+            let flags: u64 = vm_flags | (VM_IO | VM_DONTCOPY) as u64;
+            let len_4k: u64 = (new_size % PAGE_2M_SIZE) as u64;
+            let len_2m: u64 = new_size as u64 - len_4k;
+            let mut loop_i: u64 = 0;
+            // 先分配2M的vma
+            loop {
+                if loop_i >= len_2m {
+                    break;
+                }
+                let vma: *mut *mut vm_area_struct = null_mut();
+                retval = unsafe {
+                    mm_create_vma(
+                        &mut initial_mm,
+                        region.vaddr + loop_i,
+                        PAGE_2M_SIZE.into(),
+                        flags,
+                        null_mut(),
+                        vma,
+                    )
+                };
+                if retval != 0 {
+                    kdebug!(
+                        "failed to create mmio 2m vma. pid = {:?}",
+                        current_pcb().pid
+                    );
+                    unsafe {
+                        vm_area_del(*vma);
+                        vm_area_free(*vma);
+                    }
+                    return retval;
+                }
+                loop_i += PAGE_2M_SIZE as u64;
+            }
+            // 分配4K的vma
+            loop_i = len_2m;
+            loop {
+                if loop_i >= size as u64 {
+                    break;
+                }
+                let vma: *mut *mut vm_area_struct = null_mut();
+                retval = unsafe {
+                    mm_create_vma(
+                        &mut initial_mm,
+                        region.vaddr + loop_i,
+                        PAGE_4K_SIZE.into(),
+                        flags,
+                        null_mut(),
+                        vma,
+                    )
+                };
+                if retval != 0 {
+                    kdebug!(
+                        "failed to create mmio 4k vma. pid = {:?}",
+                        current_pcb().pid
+                    );
+                    unsafe {
+                        vm_area_del(*vma);
+                        vm_area_free(*vma);
+                    }
+                    return retval;
+                }
+                loop_i += PAGE_4K_SIZE as u64;
+            }
+        }
+        Err(_) => {
+            kdebug!("failed to create mmio vma.pid = {:?}", current_pcb().pid);
+            return -(ENOMEM as i32);
+        }
+    }
+    return retval;
+}
+
+/// @brief 取消mmio的映射并将地址空间归还到buddy中
+///
+/// @param vaddr 起始的虚拟地址
+///
+/// @param length 要归还的地址空间的长度
+///
+/// @return Ok(i32) 成功返回0
+///
+/// @return Err(i32) 失败返回错误码
+#[no_mangle]
+pub extern "C" fn mmio_release(vaddr: u64, length: u64) -> i32 {
+    //先将要释放的空间取消映射
+    unsafe {
+        mm_unmap(&mut initial_mm, vaddr, length, false);
+    }
+    let mut loop_i: u64 = 0;
+    loop {
+        if loop_i >= length {
+            break;
+        }
+        // 获取要释放的vma的结构体
+        let vma: *mut vm_area_struct = unsafe { vma_find(&mut initial_mm, vaddr + loop_i) };
+        if vma == null_mut() {
+            kdebug!(
+                "mmio_release failed: vma not found. At address: {:?}, pid = {:?}",
+                vaddr + loop_i,
+                current_pcb().pid
+            );
+            return -(EINVAL as i32);
+        }
+        // 检查vma起始地址是否正确
+        if unsafe { (*vma).vm_start != (vaddr + loop_i) } {
+            kdebug!(
+                "mmio_release failed: addr_start is not equal to current: {:?}. pid = {:?}",
+                vaddr + loop_i,
+                current_pcb().pid
+            );
+            return -(EINVAL as i32);
+        }
+        // 将vma对应空间归还
+        match MMIO_POOL.__give_back_block(unsafe { (*vma).vm_start }, unsafe {
+            31 - ((*vma).vm_end - (*vma).vm_start).leading_zeros()
+        }) {
+            Ok(_) => {
+                loop_i += unsafe { (*vma).vm_end - (*vma).vm_start };
+                unsafe {
+                    vm_area_del(vma);
+                    vm_area_free(vma);
+                }
+            }
+            Err(err) => {
+                // vma对应空间没有成功归还的话,就不删除vma
+                kdebug!(
+                    "mmio_release give_back failed: pid = {:?}",
+                    current_pcb().pid
+                );
+                return err;
+            }
+        }
+    }
+    return 0;
+}

+ 1 - 0
kernel/src/mm/mod.rs

@@ -1,2 +1,3 @@
 pub mod allocator;
 pub mod gfp;
+pub mod mmio_buddy;