os_kernel/kernel/memory.c

#include "memory.h"
#include "../lib/kernel/print.h"

#define PG_SIZE 4096 // 1 页 = 4KB = 4096 字节
/************************ 位图地址 ****************************************
 * 0xc009f000 是内核主线程栈顶，0xc009e000 是内核主线程的pcb
 * 一个页框大小的位图可表示128MB内存，位图位置安排在地址0xc009a000
 * 0xc009e000 - 0x4000 = 0xc009a000
 */
#define MEM_BITMAP_BASE 0xc009a000
/***********************************************************************/
/*0xc0000000 是内核从虚拟地址 3G 起，0xc0100000 指跨过低端 1MB 内存，使虚拟地址在逻辑上连续 */
#define K_HEAP_START 0xc0100000

/* 内存池结构，生成两个实例用于管理内核内存池和用户内存池 */
struct pool
{
    struct bitmap pool_bitmap; // 本内存池用到的位图结构，用于管理物理内存
    uint32_t phy_addr_start;   // 本内存池所管理物理内存的起始地址
    uint32_t pool_size;        // 本内存池字节容量
};

struct pool kernel_pool, user_pool; // 生成内核内存池和用户内存池
struct virtual_addr kernel_vaddr;   // 此结构是用来给内核分配虚拟地址

/* 初始化内存池 */
static void mem_pool_init(uint32_t all_mem)
{
    put_str("    mem_pool_init start\n");
    // 页表大小 = 页目录项数 * 每个页目录项占用的字节数
    // 页目录项数 = 1 页的页目录表 + 第 0 和第 768(内核页目录项)个页目录项指向同一个页表 +
    // 第 769 ~ 1022 个页目录项指向 254 个页表 = 256 个页目录项
    //! 最后 1 个页目录项(第 1023 个 pde)指向页目录表自身
    uint32_t page_table_size = PG_SIZE * 256; // 256 个页目录项 * 4KB = 1MB

    // 1024(0x400) * 1024 =  0x100000  是低端 1MB 内存
    uint32_t used_mem = page_table_size + 0x100000;
    uint32_t free_mem = all_mem - used_mem;
    uint16_t all_free_pages = free_mem / PG_SIZE; // 1 页 = 4KB = 4096 字节

    uint16_t kernel_free_pages = all_free_pages / 2;
    uint16_t user_free_pages = all_free_pages - kernel_free_pages;

    /* 为了简化操作，余数不处理，坏处是这样做会丢失内存，好像是不用做内存的越界检查，因为位图表的内存少于实际物理内存 */
    uint32_t kbm_length = kernel_free_pages / 8; // Kernel BitMap 长度，位图中的一位表示一页，以字节为单位
    uint32_t ubm_length = user_free_pages / 8;   // User BitMap 长度

    uint32_t kp_start = used_mem;                               // Kernel Pool 起始地址,内核内存池的起始地址
    uint32_t up_start = kp_start + kernel_free_pages * PG_SIZE; // User Pool 起始地址,用户内存池的起始地址

    kernel_pool.phy_addr_start = kp_start;
    user_pool.phy_addr_start = up_start;

    kernel_pool.pool_size = kernel_free_pages * PG_SIZE;
    user_pool.pool_size = user_free_pages * PG_SIZE;

    kernel_pool.pool_bitmap.btmp_bytes_len = kbm_length;
    user_pool.pool_bitmap.btmp_bytes_len = ubm_length;

    /********* 内核内存池和用户内存池的位图 ****************
     * 位图是全局的数据，长度不固定
     * 全局或静态的数组需要在编译时知道其长度
     * 而我们需要根据总内存大小算出需要多少字节
     * 所以改为指定一块内存来生成位图
     ************************************************/
    // 内核使用的最高地址是 0xc009f000,这是主线程的栈地址
    // 内核的大小预计为 70KB 左右
    // （32MB = 32 * 1024 * 1024 字节）内存占位图是 1KB
    // 内核内存池位图的位置安排在地址 0xc009a000
    kernel_pool.pool_bitmap.bits = (void *)MEM_BITMAP_BASE;
    // 用户内存池的位图紧跟在内核内存池位图之后
    user_pool.pool_bitmap.bits = (void *)((uintptr_t)MEM_BITMAP_BASE + kbm_length);

    /********************** 输出内存池信息 ******************************/
    put_str("    kernel_pool_bitmap_start: ");
    put_int((uintptr_t)kernel_pool.pool_bitmap.bits);
    put_str(", kernel_pool_phy_addr_start: ");
    put_int(kernel_pool.phy_addr_start);
    put_str("\n");
    put_str("    user_pool_bitmap_start: ");
    put_int((uintptr_t)user_pool.pool_bitmap.bits);
    put_str(", user_pool_phy_addr_start: ");
    put_int(user_pool.phy_addr_start);
    put_str("\n");

    bitmap_init(&kernel_pool.pool_bitmap);
    bitmap_init(&user_pool.pool_bitmap);

    /*********************** 初始化虚拟内存池 ********************************/
    kernel_vaddr.vaddr_bitmap.btmp_bytes_len = kbm_length; // 虚拟地址位图的长度,按实际物理内存大小生成数组
    /*位图的数组指向一块未使用的内存，目前定位在内核内存池和用户内存池之后*/
    kernel_vaddr.vaddr_bitmap.bits = (void *)((uintptr_t)MEM_BITMAP_BASE + kbm_length + ubm_length);
    kernel_vaddr.vaddr_start = K_HEAP_START;
    bitmap_init(&kernel_vaddr.vaddr_bitmap);

    put_str("    mem_pool_init end\n");
}

// 内存管理初始化
void mem_init(void)
{
    put_str("mem_init start\n");
    uint32_t mem_bytes_total = (*(uint32_t *)(0xb00)); // 从地址 0xb00 处取出总内存数
    mem_pool_init(mem_bytes_total);                    // 初始化内存池
    put_str("mem_init done\n");
}