物理内存探测

物理内存探测

物理内存的相关概念

我们知道，物理地址访问的通常是一片 DRAM，我们可以把它看成一个以字节为单位的大数组，通过物理地址找到对应的位置进行读写。但是，物理地址并不仅仅只能访问 DRAM，也可以用来访问其他的外设，因此你也可以认为 DRAM 也算是一种外设，物理地址则是一个对可以存储的介质的一种抽象。

而如果访问其他外设要使用不同的指令（如 x86 单独提供了 in 和 out 等指令来访问不同于内存的 IO 地址空间），会比较麻烦；于是，很多指令集架构（如 RISC-V、ARM 和 MIPS 等）通过 MMIO（Memory Mapped I/O）技术将外设映射到一段物理地址，这样我们访问其他外设就和访问物理内存一样了。

我们先不管那些外设，来看物理内存。

物理内存探测

操作系统怎样知道物理内存所在的那段物理地址呢？在 RISC-V 中，这个一般是由 bootloader，即 OpenSBI 固件来完成的。它来完成对于包括物理内存在内的各外设的扫描，将扫描结果以 DTB（Device Tree Blob）的格式保存在物理内存中的某个地方。随后 OpenSBI 固件会将其地址保存在 a1 寄存器中，给我们使用。

这个扫描结果描述了所有外设的信息，当中也包括 QEMU 模拟的 RISC-V Virt 计算机中的物理内存。

[info] QEMU 模拟的 RISC-V Virt 计算机中的物理内存

通过查看 QEMU 代码中 hw/riscv/virt.c 的 virt_memmap[] 的定义，可以了解到 QEMU 模拟的 RISC-V Virt 计算机的详细物理内存布局。可以看到，整个物理内存中有不少内存空洞（即含义为 unmapped 的地址空间），也有很多外设特定的地址空间，现在我们看不懂没有关系，后面会慢慢涉及到。目前只需关心最后一块含义为 DRAM 的地址空间，这就是 OS 将要管理的 128 MB 的内存空间。

起始地址	终止地址	含义
0x0	0x100	QEMU VIRT_DEBUG
0x100	0x1000	unmapped
0x1000	0x12000	QEMU MROM
0x12000	0x100000	unmapped
0x100000	0x101000	QEMU VIRT_TEST
0x101000	0x2000000	unmapped
0x2000000	0x2010000	QEMU VIRT_CLINT
0x2010000	0x3000000	unmapped
0x3000000	0x3010000	QEMU VIRT_PCIE_PIO
0x3010000	0xc000000	unmapped
0xc000000	0x10000000	QEMU VIRT_PLIC
0x10000000	0x10000100	QEMU VIRT_UART0
0x10000100	0x10001000	unmapped
0x10001000	0x10002000	QEMU VIRT_VIRTIO
0x10002000	0x20000000	unmapped
0x20000000	0x24000000	QEMU VIRT_FLASH
0x24000000	0x30000000	unmapped
0x30000000	0x40000000	QEMU VIRT_PCIE_ECAM
0x40000000	0x80000000	QEMU VIRT_PCIE_MMIO
0x80000000	0x88000000	DRAM 缺省 128MB，大小可配置

不过为了简单起见，我们并不打算自己去解析这个结果。因为我们知道，QEMU 规定的 DRAM 物理内存的起始物理地址为 0x80000000 。而在 QEMU 中，可以使用 -m 指定 RAM 的大小，默认是 128 MB 。因此，默认的 DRAM 物理内存地址范围就是 [0x80000000, 0x88000000)。

因为后面还会涉及到虚拟地址、物理页和虚拟页面的概念，为了进一步区分而不是简单的只是使用 usize 类型来存储，我们首先建立一个 PhysicalAddress 的类，然后对其实现一系列的 usize 的加、减和输出等等操作，由于这部分实现偏向于 Rust 语法而非 OS，这里不贴出代码，请参考 os/src/memory/address.rs 文件。

然后，我们直接将 DRAM 物理内存结束地址硬编码到内核中，同时因为我们操作系统本身也用了一部分空间，我们也记录下操作系统用到的地址结尾（即 linker script 中的 kernel_end）。

os/src/memory/config.rs

lazy_static! {
    /// 内核代码结束的地址，即可以用来分配的内存起始地址
    ///
    /// 因为 Rust 语言限制，我们只能将其作为一个运行时求值的 static 变量，而不能作为 const
    pub static ref KERNEL_END_ADDRESS: PhysicalAddress = PhysicalAddress(kernel_end as usize);
}

extern "C" {
    /// 由 `linker.ld` 指定的内核代码结束位置
    ///
    /// 作为变量存在 [`KERNEL_END_ADDRESS`]
    fn kernel_end();
}

这里使用了 lazy_static 库，由于 Rust 语言的限制，我们能对编译时 kernel_end 做一个求值然后赋值到 KERNEL_END_ADDRESS 中；所以，lazy_static! 宏帮助我们在第一次使用 lazy_static! 宏包裹的变量时自动完成这些求值工作。

最后，我们在各级文件中加入模块调用，并在 os/src/main.rs 尝试输出。

os/src/main.rs

/// Rust 的入口函数
///
/// 在 `_start` 为我们进行了一系列准备之后，这是第一个被调用的 Rust 函数
#[no_mangle]
pub extern "C" fn rust_main() -> ! {
    // 初始化各种模块
    interrupt::init();
    memory::init();

    // 注意这里的 KERNEL_END_ADDRESS 为 ref 类型，需要加 *
    println!("{}", *memory::config::KERNEL_END_ADDRESS);

    panic!()
}

最后运行，可以看到成功显示了我们内核使用的结尾地址 PhysicalAddress(0x8020b220)；注意到这里，你的输出可能因为实现上的细节并不完全一样。