/** * @file process.h * @author longjin * @brief 进程 * @date 2022-01-29 * * @copyright Copyright (c) 2022 * */ #pragma once #include "../common/cpu.h" #include "../common/glib.h" #include "../mm/mm.h" #include "../syscall/syscall.h" #include "ptrace.h" extern unsigned long _stack_start; // 导出内核层栈基地址（定义在head.S） extern void ret_from_intr(void); // 导出从中断返回的函数（定义在entry.S） // 进程的内核栈大小 32K #define STACK_SIZE 32768 // 进程的运行状态 // 正在运行 #define PROC_RUNNING (1 << 0) // 可被中断 #define PROC_INTERRUPTIBLE (1 << 1) // 不可被中断 #define PROC_UNINTERRUPTIBLE (1 << 2) // 挂起 #define PROC_ZOMBIE (1 << 3) // 已停止 #define PROC_STOPPED (1 << 4) // 内核代码段基地址 #define KERNEL_CS (0x08) // 内核数据段基地址 #define KERNEL_DS (0x10) // 用户代码段基地址 #define USER_CS (0x28) // 用户数据段基地址 #define USER_DS (0x30) // 进程初始化时的数据拷贝标志位 #define CLONE_FS (1 << 0) #define CLONE_FILES (1 << 1) #define CLONE_SIGNAL (1 << 2) /** * @brief 内存空间分布结构体 * 包含了进程内存空间分布的信息 */ struct mm_struct { pml4t_t *pgd; // 内存页表指针 // 代码段空间 ul code_addr_start, code_addr_end; // 数据段空间 ul data_addr_start, data_addr_end; // 只读数据段空间 ul rodata_addr_start, rodata_addr_end; // 动态内存分配区（堆区域） ul brk_start, brk_end; // 应用层栈基地址 ul stack_start; }; struct thread_struct { // 内核层栈基指针 ul rbp; // in tss rsp0 // 内核层代码指针 ul rip; // 内核层栈指针 ul rsp; ul fs, gs; ul cr2; // 异常号 ul trap_num; // 错误码 ul err_code; }; // 进程标志位 #define PF_KTHREAD (1 << 0) /** * @brief 进程控制块 * */ struct process_control_block { // 连接各个pcb的双向链表 struct List list; // 进程的状态 volatile long state; // 进程标志：进程、线程、内核线程 unsigned long flags; // 内存空间分布结构体， 记录内存页表和程序段信息 struct mm_struct *mm; // 进程切换时保存的状态信息 struct thread_struct *thread; // 地址空间范围 // 用户空间： 0x0000 0000 0000 0000 ~ 0x0000 7fff ffff ffff // 内核空间： 0xffff 8000 0000 0000 ~ 0xffff ffff ffff ffff ul addr_limit; // 进程id long pid; // 可用时间片 long counter; // 信号 long signal; // 优先级 long priority; }; // 将进程的pcb和内核栈融合到一起,8字节对齐 union proc_union { struct process_control_block pcb; ul stack[STACK_SIZE / sizeof(ul)]; } __attribute__((aligned(8))); struct mm_struct initial_mm; struct thread_struct initial_thread; // 设置初始进程的PCB #define INITIAL_PROC(proc) \ { \ .state = PROC_UNINTERRUPTIBLE, \ .flags = PF_KTHREAD, \ .mm = &initial_mm, \ .thread = &initial_thread, \ .addr_limit = 0xffff800000000000, \ .pid = 0, \ .counter = 1, \ .signal = 0, \ .priority = 0 \ } // 初始化 初始进程的union ，并将其链接到.data.init_proc段内 union proc_union initial_proc_union __attribute__((__section__(".data.init_proc_union"))) = {INITIAL_PROC(initial_proc_union.pcb)}; struct process_control_block *initial_proc[MAX_CPU_NUM] = {&initial_proc_union.pcb, 0}; struct mm_struct initial_mm = {0}; struct thread_struct initial_thread = { .rbp = (ul)(initial_proc_union.stack + STACK_SIZE / sizeof(ul)), .rsp = (ul)(initial_proc_union.stack + STACK_SIZE / sizeof(ul)), .fs = KERNEL_DS, .gs = KERNEL_DS, .cr2 = 0, .trap_num = 0, .err_code = 0}; /** * @brief 任务状态段结构体 * */ struct tss_struct { unsigned int reserved0; ul rsp0; ul rsp1; ul rsp2; ul reserved1; ul ist1; ul ist2; ul ist3; ul ist4; ul ist5; ul ist6; ul ist7; ul reserved2; unsigned short reserved3; // io位图基地址 unsigned short io_map_base_addr; } __attribute__((packed)); // 使用packed表明是紧凑结构，编译器不会对成员变量进行字节对齐。 // 设置初始进程的tss #define INITIAL_TSS \ { \ .reserved0 = 0, \ .rsp0 = (ul)(initial_proc_union.stack + STACK_SIZE / sizeof(ul)), \ .rsp1 = (ul)(initial_proc_union.stack + STACK_SIZE / sizeof(ul)), \ .rsp2 = (ul)(initial_proc_union.stack + STACK_SIZE / sizeof(ul)), \ .reserved1 = 0, \ .ist1 = 0xffff800000007c00, \ .ist2 = 0xffff800000007c00, \ .ist3 = 0xffff800000007c00, \ .ist4 = 0xffff800000007c00, \ .ist5 = 0xffff800000007c00, \ .ist6 = 0xffff800000007c00, \ .ist7 = 0xffff800000007c00, \ .reserved2 = 0, \ .reserved3 = 0, \ .io_map_base_addr = 0 \ } // 为每个核心初始化初始进程的tss struct tss_struct initial_tss[MAX_CPU_NUM] = {[0 ... MAX_CPU_NUM - 1] = INITIAL_TSS}; // 获取当前的pcb struct process_control_block *get_current_pcb() { struct process_control_block *current = NULL; // 利用了当前pcb和栈空间总大小为32k大小对齐，将rsp低15位清空，即可获得pcb的起始地址 __asm__ __volatile__("andq %%rsp, %0 \n\t" : "=r"(current) : "0"(~32767UL)); return current; }; #define current_pcb get_current_pcb() #define GET_CURRENT_PCB \ "movq %rsp, %rbx \n\t" \ "andq $-32768, %rbx\n\t" /** * @brief 切换进程上下文 * 先把rbp和rax保存到栈中，然后将rsp和rip保存到prev的thread结构体中 * 然后调用__switch_to切换栈，配置其他信息，最后恢复下一个进程的rax rbp。 */ #define switch_proc(prev, next) \ do \ { \ \ __asm__ __volatile__("pushq %%rbp \n\t" \ "pushq %%rax \n\t" \ "movq %%rsp, %0 \n\t" \ "movq %2, %%rsp \n\t" \ "leaq 1f(%%rip), %%rax \n\t" \ "movq %%rax, %1 \n\t" \ "pushq %3 \n\t" \ "jmp __switch_to \n\t" \ "1: \n\t" \ "popq %%rax \n\t" \ "popq %%rbp \n\t" \ : "=m"(prev->thread->rsp), "=m"(prev->thread->rip) \ : "m"(next->thread->rsp), "m"(next->thread->rip), "D"(prev), "S"(next) \ : "memory"); \ } while (0) /** * @brief 初始化系统的第一个进程 * */ void process_init(); /** * @brief fork当前进程 * * @param regs 新的寄存器值 * @param clone_flags 克隆标志 * @param stack_start 堆栈开始地址 * @param stack_size 堆栈大小 * @return unsigned long */ unsigned long do_fork(struct pt_regs *regs, unsigned long clone_flags, unsigned long stack_start, unsigned long stack_size);