内存模型

概述

OpenOS 的内存管理采用分层设计，从物理内存管理到虚拟内存映射，提供安全、高效的内存访问。

虚拟地址空间布局

x86_64 地址空间

x86_64 提供 48 位虚拟地址空间（256 TiB），OpenOS 将其划分为内核空间和用户空间：

0xFFFFFFFFFFFFFFFF ┌────────────────────┐
                   │                    │
                   │  内核空间          │  Ring 0
                   │  (256 TiB - 128 TiB)│
0xFFFFFFFF80000000 ├────────────────────┤ ← KERNEL_OFFSET
                   │                    │
                   │  未映射间隙        │
                   │  (128 TiB)         │
                   │                    │
0x0000800000000000 ├────────────────────┤
                   │                    │
                   │  用户空间          │  Ring 3
                   │  (128 TiB)         │
                   │                    │
0x0000000000000000 └────────────────────┘

内核空间详细布局

0xFFFFFFFFFFFFFFFF ┌────────────────────┐
                   │  保留              │
0xFFFFFFFFFFFFFF00 ├────────────────────┤
                   │  IST[0]            │  20 KiB（双重故障栈）
0xFFFFFFFFFFFFB000 ├────────────────────┤
                   │  内核栈 (RSP0)     │  32 KiB
0xFFFFFFFFFFFAB000 ├────────────────────┤
                   │  ...               │
0xFFFFFFFF80110000 ├────────────────────┤
                   │  .data / .bss      │  ~16 KiB
0xFFFFFFFF80100000 ├────────────────────┤ ← 内核 .text
                   │  .text / .rodata   │  ~64 KiB
0xFFFFFFFF80000000 ├────────────────────┤ ← KERNEL_OFFSET
                   │  ...               │
0x444444440000     ├────────────────────┤ ← 堆起始
                   │  内核堆            │  100 KiB
0x444444430000     ├────────────────────┤ ← 堆结束
                   │  ...               │
0x00000000B8000    ├────────────────────┤ ← VGA 缓冲区
                   │  VGA 文本缓冲区    │  4 KiB
0x00000000B7C00    └────────────────────┘

页表结构

四级页表

x86_64 使用四级页表：

虚拟地址 (48 位)
┌───────┬───────┬───────┬───────┬───────────┐
│ PML4  │ PDPT  │  PD   │  PT   │  Offset   │
│ 9 位  │ 9 位  │ 9 位  │ 9 位  │  12 位    │
└───┬───┴───┬───┴───┬───┴───┬───┴─────┬─────┘
    │       │       │       │         │
    ▼       ▼       ▼       ▼         ▼
  ┌─────┐ ┌─────┐ ┌─────┐ ┌─────┐ ┌─────┐
  │PML4E│→│PDPTE│→│ PDE │→│ PTE │→│ 物理 │
  │     │ │     │ │     │ │     │ │ 页面 │
  └─────┘ └─────┘ └─────┘ └─────┘ └─────┘

页表项标志

标志	位	说明
Present	0	页面是否在内存中
Writable	1	是否可写
User	2	用户态是否可访问
Write-Through	3	写透模式
Cache Disabled	4	禁用缓存
Accessed	5	是否被访问过
Dirty	6	是否被写入过
Page Size	7	大页面（2 MiB / 1 GiB）
NX	63	禁止执行

映射类型

映射	Present	Writable	User	NX
内核代码	✓	✗	✗	✗
内核数据	✓	✓	✗	✓
用户代码	✓	✗	✓	✗
用户数据	✓	✓	✓	✓

物理内存管理

帧分配器

OpenOS 使用 bump 分配器 管理物理内存帧：

pub struct BumpFrameAllocator {
    next_free_frame: PhysFrame,
    end_frame: PhysFrame,
}

impl FrameAllocator<Size4KiB> for BumpFrameAllocator {
    fn allocate_frame(&mut self) -> Option<PhysFrame> {
        if self.next_free_frame < self.end_frame {
            let frame = self.next_free_frame;
            self.next_free_frame += 1;
            Some(frame)
        } else {
            None
        }
    }
}

特点：

• 简单高效
• 只能分配，不能释放（bump 特性）
• 适合早期内核初始化

未来改进

计划实现更复杂的帧分配器：

• 伙伴分配器 - 支持释放和合并
• Slab 分配器 - 针对小对象优化
• 每 CPU 缓存 - 减少锁竞争

堆内存管理

linked_list_allocator

OpenOS 使用 linked_list_allocator crate 管理内核堆：

#[global_allocator]
static ALLOCATOR: LockedHeap = LockedHeap::empty();

pub const HEAP_START: usize = 0x4444_4444_0000;
pub const HEAP_SIZE: usize = 100 * 1024; // 100 KiB

pub fn init_heap() {
    unsafe {
        ALLOCATOR.lock().init(HEAP_START as *mut u8, HEAP_SIZE);
    }
}

特点：

• 首次适配算法
• 线程安全（使用 spin::Mutex）
• 简单，无外部依赖

限制：

• 固定堆大小（100 KiB）
• 可能产生碎片
• 无每 CPU 缓存

使用示例

use alloc::{boxed::Box, vec, vec::Vec, string::String};

// 分配在堆上
let x = Box::new(42);
let v = vec![1, 2, 3, 4, 5];
let s = String::from("Hello, OpenOS!");

// 释放是自动的（Rust 所有权系统）

高半内核设计

为什么选择高半内核？

1. 地址空间分离 - 内核和用户空间使用不同的地址范围
2. 用户空间优化 - 低地址空间适合用户程序（32 位偏移量）
3. 安全性 - 用户态代码不能直接访问内核页面
4. 兼容性 - 与 Linux、Windows 等现代 OS 布局一致

映射过程

引导时，bootloader 设置页表将内核映射到高地址：

物理地址 0x100000 (1 MiB)
    ↓
虚拟地址 0xFFFFFFFF80100000
    ↓
KERNEL_OFFSET + 0x100000 = 0xFFFFFFFF80100000

链接脚本使用 AT() 指令处理物理地址：

KERNEL_OFFSET = 0xFFFFFFFF80000000

.text : AT(ADDR(.text) - KERNEL_OFFSET) {
    *(.text .text.*)
}

内存保护

页面级保护

• 内核代码 - 只读、可执行（RX）
• 内核数据 - 可读写、不可执行（RW）
• 用户代码 - 用户可访问、只读、可执行（R-X）
• 用户数据 - 用户可访问、可读写、不可执行（RW-）

保护机制

1. 页表权限位 - 硬件强制执行
2. SMEP/SMAP - 防止内核执行/访问用户页面
3. NX 位 - 防止执行数据页面

缓存管理

缓存策略

区域	策略	说明
内核代码	Write-Back	最佳性能
内核数据	Write-Back	最佳性能
VGA 缓冲区	Uncached	内存映射 I/O
设备 MMIO	Uncached	硬件寄存器

缓存一致性

• 使用 mfence 指令确保内存操作顺序
• 使用 clflush 刷新特定缓存行
• 设备访问使用 volatile 确保不被优化掉

未来改进

计划中的功能

1. 物理帧分配器 - 支持释放和合并
2. 虚拟内存管理 - 按需分页、页面换出
3. 共享内存 - 进程间共享页面
4. 内存映射文件 - mmap 支持
5. 每 CPU 堆 - 减少锁竞争

参考

• x86_64 分页
• linked_list_allocator
• bootloader crate