wip: lab 2

docs/labs/0x01/tasks.md

@@ -179,7 +179,6 @@ unsafe {
 
 ### 调试内核
 
-
 依据[调试教程](../../wiki/debug.md)的相关内容，搭建基于命令行的 GDB 调试环境。
 
 作为实验的推荐调试环境，你需要配置好 `gef` 插件以进行更加灵活的二进制调试。同时利用 VSCode 进行调试也是一个不错的选择，鼓励你进行尝试，它将会作为实验的加分项目之一。

docs/labs/0x02/tasks.md

@@ -10,15 +10,63 @@
 
     **3. 不要直接复制粘贴命令执行**
 
+## 合并实验代码
+
 !!! tip "如何使用本次参考代码"
 
-    为了帮助大家进行项目代码的结构组织，本次实验给出的参考代码中包含了**完整的文件结构**。
+    本次给出的参考代码为**增量补充**，即在上一次实验的基础上进行修改和补充。因此，你需要将本次参考代码与上一次实验的代码进行合并。
+
+    文件的目录与上一次实验相同，因此你可以直接将本次参考代码的 `src` 目录下的文件复制到上一次实验的目录结构下，覆盖同名文件。
+
+    合并后的代码并不能直接运行，你需要基于合并后的代码、按照如下文档进行修改补充，才能逐步实现本次实验的功能。
+
+在 `pkg/kernel/src/memory` 文件夹中，增量代码补充包含了如下的模块：
+
+- `address.rs`：定义了物理地址到虚拟地址的转换函数，这一模块接受启动结构体提供的物理地址偏移，从而对物理地址进行转换。此部分内容在 lab 1 中已经有所涉及，你可以参考[完整的物理地址映射](https://os.phil-opp.com/paging-implementation/#map-the-complete-physical-memory)进行深入了解。
+- `frames.rs`：利用 bootloader 传入的内存布局进行物理内存帧分配，实现 x86_64 的 `FrameAllocator` trait。**本次实验中不会涉及，后续实验中会用到。**
+- `gdt.rs`：定义 TSS 和 GDT，为内核提供内存段描述符和任务状态段。
+- `allocator.rs`：注册内核堆分配器，为内核堆分配提供能力。从而允许内核使用 `alloc` crate 进行需要动态内存分配的操作、使用其中定义的数据结构，如 `Vec`、`String`、`Box` 等。
+
+!!! note "动态内存分配算法在这里不做要求，本次实验直接使用现有的库赋予内核堆分配能力。"
 
-## GDT、TSS 与 IDT
+在 `pkg/kernel/src/interrupt` 文件夹中，增量代码补充包含了如下的模块：
+
+- `apic`：有关 XAPIC、IOAPIC 和 LAPIC 的定义和实现。
+- `consts.rs`：有关于中断向量、IQR 的常量定义。
+- `exceptions.rs`：包含了 CPU 异常的处理函数，并暴露 `register_idt` 用于注册 IDT。
+- `mod.rs`：定义了 `init` 函数，用于初始化中断系统，加载 IDT。
+
+## GDT 与 TSS
+
+!!! note "请阅读 [x64 数据结构概述](../../wiki/structures.md) 部分，了解 x64 架构中的 GDT、TSS 和 IDT。"
+
+在我们的操作系统中，GDT、TSS 和 IDT 均属于全局静态的数据结构，因此我们将它们定义为 `static` 类型，并使用 `lazy_static` 宏来实现懒加载，其本质上也是通过 `Once` 来保护全局对象，但是它的初始化函数无需参数传递，因此可以直接声明，无需手动调用 `call_once` 函数来传递不同的初始化参数。
+
+```rust
+lazy_static! {
+    static ref TSS: TaskStateSegment = {
+        let mut tss = TaskStateSegment::new();
+
+        // do something...
+
+        tss
+    };
+}
+```
+
+你需要参考上下文，在 `src/memory/gdt.rs` 中补全 TSS 的中断栈表，为 Double Fault 和 Page Fault 准备独立的栈。
+
+!!! question "实验任务"
+
+    补全上述代码任务，并进行下列尝试，并在报告中保留对应的触发方式及相关代码片段：
+
+    1. 尝试用你的方式触发 Triple Fault，开启 `intdbg` 对应的选项，在 QEMU 中查看调试信息，分析 Triple Fault 的发生过程。
+    2. 补全 Double Fault 的中断处理函数，观察 Double Fault 的发生过程。尝试通过调试器定位 Double Fault 发生时的栈是否符合预期。
+    3. 补全 Page Fault 的中断处理函数，通过访问非法地址触发 Page Fault，观察 Page Fault 的发生过程。分析 Cr2 寄存器的值，并尝试回答为什么 Page Fault 属于可恢复的异常。
 
 ## 注册中断处理程序
 
-在 `src/interrupt/mod.rs` 中，参考如下代码，将中断描述符表（IDT）的注册工作委托给各个模块。IDT 只会被初始化一次，因此这里使用了 `lazy_static` 宏来实现懒加载，而不对它进行上锁或使用 Once 保护。
+在 `src/interrupt/mod.rs` 中，参考如下代码，将中断描述符表的注册委托给各个模块。
 
 ```rust
 // mod clock;
@@ -104,9 +152,58 @@ pub unsafe fn register_idt(idt: &mut InterruptDescriptorTable) {
 
 !!! note "请阅读 [APIC 可编程中断控制器](../../wiki/apic.md) 部分，了解什么是 APIC 可编程中断控制器。"
 
+根据上述文档，你需要在 `src/interrupt/apic/xapic.rs` 中补全 APIC 的初始化代码，以便在后续实验中使用 APIC 实现时钟中断和 I/O 设备中断。
+
 ## 时钟中断
 
-## 内存管理（此处不作重点）
+在顺利配置好 XAPIC 并初始化后，APIC 的中断就被成功启用了。为了响应时钟中断，我们需要为 IRQ0 Timer 设置中断处理程序。创建 `src/interrupt/clock.rs` 文件，参考如下代码，为 Timer 设置中断处理程序：
+
+```rust
+use core::sync::atomic::{AtomicU64, Ordering};
+use super::consts::*;
+
+pub unsafe fn register_idt(idt: &mut InterruptDescriptorTable) {
+    idt[(Interrupts::IrqBase as u8 + Irq::Timer as u8) as usize]
+        .set_handler_fn(clock_handler);
+}
+
+pub extern "x86-interrupt" fn clock_handler(_sf: InterruptStackFrame) {
+    x86_64::instructions::interrupts::without_interrupts(|| {
+        if inc_counter() % 0x10000 == 0 {
+            info!("Tick! @{}", read_counter());
+        }
+        super::ack();
+    });
+}
+
+static COUNTER: AtomicU64 = AtomicU64::new(0);
+
+#[inline]
+pub fn read_counter() -> u64 {
+    // FIXME: load counter value
+}
+
+#[inline]
+pub fn inc_counter() -> u64 {
+    // FIXME: read counter value and increase it
+}
+```
+
+仅仅开启 APIC 的中断并不能触发中断处理，这是因为 CPU 的中断并没有被启用。在 `src/lib.rs` 中，所有组件初始化完毕后，需要为 CPU 开启中断，你可以通过如下代码实现：
+
+```rust
+x86_64::instructions::interrupts::enable();
+```
+
+它使用 `sti` 汇编指令，将 `RFLAGS` 寄存器中的 `IF` 位置 1，从而开启中断。
+
+!!! question "实验任务"
+
+    补全上述代码任务，并进行下列尝试：
+
+    1. 如何调节时钟中断的频率？请尝试修改你的代码，更改不同的频率，并观察 QEMU 中的输出。说明你修改了哪些代码，如果想要中断的频率减半，应该如何修改？
+    2. 考虑时钟中断进行进程调度的场景，时钟中断的频率应该如何设置？太快或太慢的频率会带来什么问题？请分别回答。
+    3. `without_interrupts` 函数的作用是什么？为什么需要使用它？它的实现原理是什么？
 
 ## 串口输入中断
 

src/0x02/pkg/kernel/src/interrupt/mod.rs

@@ -36,3 +36,9 @@ pub fn enable_irq(irq: u8) {
     let mut ioapic = unsafe { IoApic::new(physical_to_virtual(IOAPIC_ADDR)) };
     ioapic.enable(irq, 0);
 }
+
+#[inline(always)]
+pub fn ack() {
+    let mut lapic = unsafe { XApic::new(physical_to_virtual(LAPIC_ADDR)) };
+    lapic.eoi();
+}