本章在第一章"最小执行环境"的基础上，实现了一个批处理操作系统（tg-ch2）。它能够依次加载并运行多个用户程序，支持特权级切换和 Trap 处理，并实现了 write 和 exit 两个系统调用。

通过本章的学习和实践，你将理解：

• 什么是批处理系统，为什么需要特权级机制
• RISC-V 的 U-mode / S-mode 特权级切换过程
• Trap 的触发、上下文保存/恢复和处理流程
• 系统调用的实现原理：从用户态 ecall 到内核态处理
• 用户程序如何被打包进内核并依次执行

前置知识：建议先完成第一章（tg-ch1）的学习，理解 #![no_std]、裸机启动、SBI 等基础概念。

ch2/
├── .cargo/
│   └── config.toml     # Cargo 配置：交叉编译目标和 QEMU runner
├── build.rs            # 构建脚本：下载编译用户程序，生成链接脚本和 APP_ASM
├── Cargo.toml          # 项目配置与依赖
├── README.md           # 本文档
├── test.sh             # 自动测试脚本
└── src/
    └── main.rs         # 内核源码：批处理主循环、Trap 处理、系统调用

Linux / macOS / WSL：

curl --proto '=https' --tlsv1.2 -sSf https://sh.rustup.rs | sh
source "$HOME/.cargo/env"

验证安装：

rustc --version    # 要求 >= 1.85.0（支持 edition 2024）
cargo --version

rustup target add riscv64gc-unknown-none-elf

Ubuntu / Debian：

sudo apt update
sudo apt install qemu-system-misc

macOS（Homebrew）：

brew install qemu

验证：

qemu-system-riscv64 --version    # 建议 >= 7.0

tg-ch2 的构建脚本需要 cargo-clone（用于自动下载用户程序 crate）和 rust-objcopy（用于将 ELF 转为二进制）：

cargo install cargo-clone
# rust-objcopy 由 cargo-binutils 提供
cargo install cargo-binutils
rustup component add llvm-tools

方式一：只获取本实验

cargo clone tg-ch2
cd tg-ch2

方式二：获取所有实验

git clone https://github.com/rcore-os/rCore-Tutorial-in-single-workspace.git
cd rCore-Tutorial-in-single-workspace/ch2

在 ch2（或 tg-ch2）目录下执行：

cargo build

编译过程比第一章复杂，build.rs 会自动完成以下工作：

1. 生成链接脚本：使用 tg_linker::NOBIOS_SCRIPT 生成内核的内存布局
2. 下载用户程序：自动通过 cargo clone 获取 tg-user crate（包含用户测试程序）
3. 编译用户程序：为每个用户程序交叉编译到 RISC-V 64 目标
4. 生成 APP_ASM：生成汇编文件，将所有用户程序的二进制数据内联到内核镜像中

环境变量说明：

• TG_USER_DIR：指定本地 tg-user 源码路径（跳过自动下载）
• TG_USER_VERSION：指定 tg-user 版本（默认 0.2.0-preview.1）
• TG_SKIP_USER_APPS：设置后跳过用户程序编译（生成空的占位 APP_ASM）
• LOG：设置日志级别（如 LOG=INFO、LOG=TRACE）

cargo run

实际执行的 QEMU 命令等价于：

qemu-system-riscv64 \
    -machine virt \
    -nographic \
    -bios none \
    -kernel target/riscv64gc-unknown-none-elf/debug/tg-ch2

[tg-ch2 0.3.1-preview.1] Hello, world!
[ INFO] .data [0x802xxxxx, 0x802xxxxx)
[ WARN] boot_stack top=bottom=0x802xxxxx, lower_bound=0x802xxxxx
[ERROR] .bss [0x802xxxxx, 0x802xxxxx)
[ INFO] load app0 to 0x802xxxxx
Hello world from user mode program!
[ INFO] app0 exit with code 0

[ INFO] load app1 to 0x802xxxxx
...（更多用户程序输出）...

批处理系统依次加载并运行每个用户程序：

• 正常的用户程序会打印输出，然后通过 exit 系统调用退出
• 出错的用户程序（如非法指令、访存错误）会被内核杀死，然后继续运行下一个

./test.sh

结果

运行 ch2 基础测试...
========== Testing ch2 base ==========
Expected patterns: 4, Not expected: 1

[PASS] found <Hello, world from user mode program!>
[PASS] found <Test power_3 OK!>
[PASS] found <Test power_5 OK!>
[PASS] found <Test power_7 OK!>
[PASS] not found <FAIL: T.T>

Test PASSED: 5/5 ✓ ch2 基础测试通过

---

批处理系统（Batch System）是最早期的操作系统形态，出现于计算资源匮乏的年代。其核心思想是：将多个程序打包到一起输入计算机，当一个程序运行结束后，计算机自动执行下一个程序。

tg-ch2 实现的批处理系统工作流程：

内核启动
    │
    ▼
初始化（清零 BSS、初始化控制台和系统调用）
    │
    ▼
┌─→ 加载第 i 个用户程序
│       │
│       ▼
│   创建用户上下文（设置入口地址、用户栈、U-mode）
│       │
│       ▼
│   execute() → sret 切换到 U-mode 运行用户程序
│       │
│       ▼
│   用户程序触发 Trap（ecall 或异常）
│       │
│       ▼
│   内核处理 Trap（系统调用 / 杀死出错程序）
│       │
│       ├─ 系统调用 write → 输出数据，继续运行
│       ├─ 系统调用 exit  → 程序退出
│       └─ 异常            → 杀死程序
│       │
│       ▼
└── 加载下一个用户程序（i++）
        │
        ▼
    所有程序完成 → 关机

为什么需要特权级？ 如果用户程序的错误（如访问非法地址、执行特权指令）能够影响内核的运行，那整个系统就不可靠了。特权级机制将用户程序和内核隔离，确保出错的用户程序只会被杀死，而不会破坏内核。

RISC-V 定义了三个特权级，本章重点关注 U-mode 和 S-mode 之间的切换：

特权级	缩写	运行的软件	能做什么
Machine Mode	M-mode	SBI 固件	访问所有硬件资源
Supervisor Mode	S-mode	操作系统内核	管理内存、处理 Trap
User Mode	U-mode	用户程序	仅能执行普通指令

特权级切换的方向：

• U → S（Trap）：用户程序执行 ecall 或发生异常时，CPU 自动陷入 S-mode
• S → U（sret）：内核执行 sret 指令返回 U-mode 继续运行用户程序

Trap 是 CPU 从低特权级陷入高特权级的机制，触发原因包括：

• 系统调用：用户程序执行 ecall 指令
• 异常：非法指令、访存错误、页错误等
• 中断：时钟中断、外部中断等（本章暂不涉及）

Trap 相关的 CSR（控制状态寄存器）：

CSR	功能
stvec	Trap 处理入口地址
sepc	Trap 发生前最后一条指令的地址（异常）或下一条指令地址（中断）
scause	Trap 原因（系统调用、非法指令、页错误等）
stval	Trap 附加信息（如出错的地址）
sstatus	SPP 字段记录 Trap 前的特权级

Trap 处理流程：

用户程序执行 ecall
       │
       ▼
  ┌── 硬件自动完成 ──┐
  │ 1. sstatus.SPP ← U  │  （记录 Trap 前的特权级）
  │ 2. sepc ← ecall 地址  │  （记录 Trap 前的 PC）
  │ 3. scause ← 原因      │  （如 UserEnvCall）
  │ 4. PC ← stvec         │  （跳转到 Trap 入口）
  │ 5. 特权级 ← S-mode    │  （切换到内核态）
  └──────────────────────┘
       │
       ▼
  Trap 入口（__alltraps）
  ── 保存所有用户寄存器到内核栈（Trap 上下文）
  ── 跳转到 Rust 的 trap_handler
       │
       ▼
  trap_handler 处理
  ── 读取 scause 判断 Trap 类型
  ── 系统调用：处理后 sepc += 4（跳过 ecall 指令）
  ── 异常：杀死程序
       │
       ▼
  __restore
  ── 从内核栈恢复用户寄存器
  ── 执行 sret 返回 U-mode
       │
       ▼
  用户程序从 ecall 的下一条指令继续执行

为什么 sepc 要加 4？ 因为 ecall 指令本身占 4 字节。硬件将 sepc 设为 ecall 的地址，如果不加 4，sret 后会再次执行 ecall，陷入无限循环。

上下文保存与恢复

进入 Trap 时必须保存用户态的全部寄存器状态（称为 Trap 上下文），否则内核代码的执行会破坏用户寄存器的值。tg-ch2 使用 tg-kernel-context 库中的 LocalContext 结构体来管理上下文：

• LocalContext::user(entry) —— 创建一个用户态上下文，设置入口地址和 sstatus.SPP = User
• ctx.execute() —— 恢复寄存器并执行 sret，切换到 U-mode
• Trap 发生后自动返回到 execute() 的下一行

系统调用是用户程序请求内核服务的唯一合法途径。用户程序将参数放入寄存器，执行 ecall，内核读取参数并处理。

RISC-V 系统调用约定：

寄存器	用途
a7	syscall ID
a0 - a5	参数
a0	返回值

tg-ch2 支持的系统调用：

syscall ID	名称	功能
64	write	将缓冲区数据写入文件描述符（fd=1 为标准输出）
93	exit	退出当前用户程序

用户程序中的系统调用过程（以 write 为例）：

用户程序调用 println!("Hello")
       │
       ▼
用户库将其转为 sys_write(fd=1, buf, len)
       │
       ▼
内嵌汇编：a7=64, a0=1, a1=buf, a2=len, ecall
       │
       ▼
Trap 进入内核 → handle_syscall
       │
       ▼
内核读取 a7=64 → 调用 write 处理函数
       │
       ▼
将 buf 指向的数据通过 SBI 输出到控制台
       │
       ▼
返回值写入 a0，sepc += 4，sret 回到用户态

与第一章不同，本章需要将多个用户程序嵌入到内核中。build.rs 在编译时完成以下工作：

1. 自动下载 tg-user crate（包含用户测试程序的源码）
2. 逐个编译用户程序为 RISC-V 64 的 ELF 文件
3. 使用 rust-objcopy 将 ELF 转为纯二进制格式（.bin）
4. 生成汇编文件 app.asm，用 .incbin 指令将所有 .bin 文件嵌入到内核的 .data 段

运行时，内核通过 tg_linker::AppMeta::locate() 获取用户程序的元数据（数量、位置、大小），然后依次加载到内存中执行。

---

程序结构分为六个部分：

模块文档与属性（第 1-21 行）： 与第一章相同的 #![no_std]、#![no_main] 和条件编译属性。

外部依赖引入（第 23-38 行）：

• tg_console：print! / println! 宏和日志功能
• riscv::register::*：访问 CSR 寄存器（如 scause）
• tg_kernel_context::LocalContext：用户上下文管理
• tg_syscall：系统调用分发框架

启动与数据嵌入（第 42-47 行）：

• global_asm!(include_str!(env!("APP_ASM")))：将用户程序二进制数据嵌入内核
• tg_linker::boot0!(rust_main; stack = 8 * 4096)：定义入口，分配 32 KiB 内核栈

内核主函数 rust_main（第 51-107 行）： 核心的批处理循环：初始化 → 遍历用户程序 → 创建上下文 → execute → 处理 Trap → 下一个

系统调用处理 handle_syscall（第 121-142 行）： 从上下文提取 syscall ID 和参数，分发到 tg_syscall::handle，将返回值写回 a0

接口实现模块 impls（第 146-194 行）：

• Console：通过 SBI 实现字符输出
• SyscallContext：实现 write 和 exit 系统调用

这是本章最复杂的文件，负责在编译期完成用户程序的获取、编译和打包。关键函数：

函数	功能
write_linker()	生成链接脚本
ensure_tg_user()	确保 tg-user 源码可用（本地或 cargo clone）
build_apps()	读取 cases.toml 配置，编译所有用户程序
build_user_app()	编译单个用户程序
objcopy_to_bin()	将 ELF 转为纯二进制
write_app_asm()	生成汇编文件，嵌入用户程序二进制
write_dummy_app_asm()	生成空的占位汇编（用于 publish --dry-run）

依赖	说明
riscv	RISC-V CSR 寄存器访问库
tg-sbi	SBI 调用封装，提供 nobios 模式启动
tg-linker	链接脚本生成、内核布局定位、用户程序元数据
tg-console	控制台输出（print! / println!）和日志
tg-kernel-context	用户上下文 LocalContext，实现特权级切换
tg-syscall	系统调用定义与分发框架

---

通过本章的学习和实践，你在第一章的基础上迈出了重要的一步：

1. 理解了批处理系统：操作系统自动依次加载和运行多个用户程序，是 OS 的最早期形态
2. 掌握了特权级机制：U-mode / S-mode 的隔离保护了内核不受用户程序错误的影响
3. 理解了 Trap 处理流程：从 ecall 触发到硬件自动保存 CSR，再到软件保存/恢复上下文
4. 实现了系统调用：write 和 exit 是用户程序与内核交互的最基本接口
5. 了解了用户程序的打包：在编译期将用户程序嵌入内核镜像

在后续章节中，我们将从批处理系统演进为多道程序系统和分时共享系统，实现多任务切换和时间片调度。

1. 为什么需要内核栈和用户栈分离？ 如果 Trap 处理时仍然使用用户栈，会有什么安全问题？

2. sepc 在系统调用和异常时的值有何不同？ 为什么处理系统调用时需要将 sepc 加 4，而处理异常时不需要？

3. fence.i 指令的作用是什么？ 在批处理系统中，为什么在加载下一个用户程序前需要执行这条指令？提示：思考指令缓存（i-cache）和数据缓存（d-cache）的区别。

4. 如果用户程序执行了 S-mode 的特权指令（如 sret），会发生什么？ 从特权级机制的角度解释这个行为。

• rCore-Tutorial-Guide 第二章
• rCore-Tutorial-Book 第二章
• RISC-V Privileged Specification
• RISC-V Reader 中文版

---

操作系统内核	所涉及核心知识点	主要完成功能	所依赖的组件
tg-ch1	应用程序执行环境 裸机编程（Bare-metal） SBI（Supervisor Binary Interface） RISC-V 特权级（M/S-mode） 链接脚本（Linker Script） 内存布局（Memory Layout） Panic 处理	最小 S-mode 裸机程序 QEMU 直接启动（无 OpenSBI） 打印 "Hello, world!" 并关机 演示最基本的 OS 执行环境	tg-sbi
tg-ch2	批处理系统（Batch Processing） 特权级切换（U-mode ↔ S-mode） Trap 处理（ecall / 异常） 上下文保存与恢复 系统调用（write / exit） 用户态 / 内核态 sret 返回指令	批处理操作系统 顺序加载运行多个用户程序 特权级切换和 Trap 处理框架 实现 write / exit 系统调用	tg-sbi tg-linker tg-console tg-kernel-context tg-syscall
tg-ch3	多道程序（Multiprogramming） 任务控制块（TCB） 协作式调度（yield） 抢占式调度（Preemptive） 时钟中断（Clock Interrupt） 时间片轮转（Time Slice） 任务切换（Task Switch） 任务状态（Ready/Running/Finished） clock_gettime 系统调用	多道程序与分时多任务 多程序同时驻留内存 协作式 + 抢占式调度 时钟中断与时间管理	tg-sbi tg-linker tg-console tg-kernel-context tg-syscall
tg-ch4	虚拟内存（Virtual Memory） Sv39 三级页表（Page Table） 地址空间隔离（Address Space） 页表项（PTE）与标志位 地址转换（VA → PA） 异界传送门（MultislotPortal） ELF 加载与解析 堆管理（sbrk） 恒等映射（Identity Mapping） 内存保护（Memory Protection） satp CSR	引入 Sv39 虚拟内存 每个用户进程独立地址空间 跨地址空间上下文切换 进程隔离和内存保护	tg-sbi tg-linker tg-console tg-kernel-context tg-kernel-alloc tg-kernel-vm tg-syscall
tg-ch5	进程（Process） 进程控制块（PCB） 进程标识符（PID） fork（地址空间深拷贝） exec（程序替换） waitpid（等待子进程） 进程树 / 父子关系 初始进程（initproc） Shell 交互式命令行 进程生命周期（Ready/Running/Zombie） 步幅调度（Stride Scheduling）	引入进程管理 fork / exec / waitpid 系统调用 动态创建、替换、等待进程 Shell 交互式命令行	tg-sbi tg-linker tg-console tg-kernel-context tg-kernel-alloc tg-kernel-vm tg-syscall tg-task-manage
tg-ch6	文件系统（File System） easy-fs 五层架构 SuperBlock / Inode / 位图 DiskInode（直接+间接索引） 目录项（DirEntry） 文件描述符表（fd_table） 文件句柄（FileHandle） VirtIO 块设备驱动 MMIO（Memory-Mapped I/O） 块缓存（Block Cache） 硬链接（Hard Link） open / close / read / write 系统调用	引入文件系统与 I/O 用户程序存储在磁盘镜像（fs.img） VirtIO 块设备驱动 easy-fs 文件系统实现 文件打开 / 关闭 / 读写	tg-sbi tg-linker tg-console tg-kernel-context tg-kernel-alloc tg-kernel-vm tg-syscall tg-task-manage tg-easy-fs
tg-ch7	进程间通信（IPC） 管道（Pipe） 环形缓冲区（Ring Buffer） 统一文件描述符（Fd 枚举） 信号（Signal） 信号集（SignalSet） 信号屏蔽字（Signal Mask） 信号处理函数（Signal Handler） kill / sigaction / sigprocmask / sigreturn 命令行参数（argc / argv） I/O 重定向（dup）	进程间通信-管道 异步事件通知（信号） 统一文件描述符抽象 信号发送 / 注册 / 屏蔽 / 返回	tg-sbi tg-linker tg-console tg-kernel-context tg-kernel-alloc tg-kernel-vm tg-syscall tg-task-manage tg-easy-fs tg-signal tg-signal-impl
tg-ch8	同步互斥（Sync&Mutex） 线程（Thread）/ 线程标识符（TID） 进程-线程分离 竞态条件（Race Condition） 临界区（Critical Section） 互斥（Mutual Exclusion） 互斥锁（Mutex：自旋锁 vs 阻塞锁） 信号量（Semaphore：P/V 操作） 条件变量（Condvar） 管程（Monitor：Mesa 语义） 线程阻塞与唤醒（wait queue） 死锁（Deadlock）/ 死锁四条件 银行家算法（Banker's Algorithm） 双层管理器（PThreadManager）	进程-线程分离 同一进程内多线程并发 互斥锁（MutexBlocking） 信号量（Semaphore） 条件变量（Condvar） 线程阻塞与唤醒机制 死锁检测（练习）	tg-sbi tg-linker tg-console tg-kernel-context tg-kernel-alloc tg-kernel-vm tg-syscall tg-task-manage tg-easy-fs tg-signal tg-signal-impl tg-sync

功能组件	所涉及核心知识点	主要完成功能	所依赖的组件
tg-sbi	SBI（Supervisor Binary Interface） console_putchar / console_getchar 系统关机（shutdown） RISC-V 特权级（M/S-mode） ecall 指令	S→M 模式的 SBI 调用封装 字符输出 / 字符读取 系统关机 支持 nobios 直接操作 UART	无
tg-linker	链接脚本（Linker Script） 内核内存布局（KernelLayout） .text / .rodata / .data / .bss / .boot 段 入口点（boot0! 宏） BSS 段清零	形成内核空间布局的链接脚本模板 用于 build.rs 工具构建 linker.ld 内核布局定位（KernelLayout::locate） 入口宏（boot0!） 段信息迭代	无
tg-console	控制台 I/O 格式化输出（print! / println!） 日志系统（Log Level） 自旋锁保护的全局控制台	可定制 print! / println! 宏 log::Log 日志实现 Console trait 抽象底层输出	无
tg-kernel-context	上下文（Context） Trap 帧（Trap Frame） 寄存器保存与恢复 特权级切换 stvec / sepc / scause CSR LocalContext（本地上下文） ForeignContext（跨地址空间上下文） 异界传送门（MultislotPortal）	用户/内核态切换上下文管理 LocalContext 结构 ForeignContext（含 satp） MultislotPortal 跨地址空间执行	无
tg-kernel-alloc	内核堆分配器 伙伴系统（Buddy Allocation） 动态内存管理 #[global_allocator]	基于伙伴算法的 GlobalAlloc 堆初始化（init） 物理内存转移（transfer）	无
tg-kernel-vm	虚拟内存管理 页表（Page Table） Sv39 分页（三级页表） 虚拟地址（VAddr）/ 物理地址（PAddr） 虚拟页号（VPN）/ 物理页号（PPN） 页表项（PTE）/ 页表标志位（VmFlags） 地址空间（AddressSpace） PageManager trait 地址翻译（translate）	Sv39 页表管理 AddressSpace 地址空间抽象 虚实地址转换 页面映射（map / map_extern） 页表项操作	无
tg-syscall	系统调用（System Call） 系统调用号（SyscallId） 系统调用分发（handle） 系统调用结果（Done / Unsupported） Caller 抽象 IO / Process / Scheduling / Clock / Signal / Thread / SyncMutex trait 接口	系统调用 ID 与参数定义 trait 接口供内核实现 init_io / init_process / init_scheduling / init_clock / init_signal / init_thread / init_sync_mutex 支持 kernel / user feature	tg-signal-defs
tg-task-manage	任务管理（Task Management） 调度（Scheduling） 进程管理器（PManager, proc feature） 双层管理器（PThreadManager, thread feature） ProcId / ThreadId 就绪队列（Ready Queue） Manage trait / Schedule trait 进程等待（wait / waitpid） 线程等待（waittid） 阻塞与唤醒（blocked / re_enque）	Manage 和 Schedule trait 抽象 proc feature：单层进程管理器（PManager） thread feature：双层管理器（PThreadManager） 进程树 / 父子关系 线程阻塞 / 唤醒	无
tg-easy-fs	文件系统（File System） SuperBlock / Inode / 位图（Bitmap） DiskInode（直接+间接索引） 块缓存（Block Cache） BlockDevice trait 文件句柄（FileHandle） 打开标志（OpenFlags） 管道（Pipe）/ 环形缓冲区 用户缓冲区（UserBuffer） FSManager trait	easy-fs 五层架构实现 文件创建 / 读写 / 目录操作 块缓存管理 管道环形缓冲区实现 FSManager trait 抽象	无
tg-signal-defs	信号编号（SignalNo） SIGKILL / SIGINT / SIGUSR1 等 信号动作（SignalAction） 信号集（SignalSet） 最大信号数（MAX_SIG）	信号编号枚举定义 信号动作结构定义 信号集类型定义 为 tg-signal 和 tg-syscall 提供共用类型	无
tg-signal	信号处理（Signal Handling） Signal trait 接口 add_signal / handle_signals get_action_ref / set_action update_mask / sig_return / from_fork SignalResult（Handled / ProcessKilled）	Signal trait 接口定义 信号添加 / 处理 / 动作设置 屏蔽字更新 / 信号返回 fork 继承	tg-kernel-context tg-signal-defs
tg-signal-impl	SignalImpl 结构 已接收信号位图（received） 信号屏蔽字（mask） 信号处理中状态（handling） 信号动作表（actions） 信号处理函数调用 上下文保存与恢复	Signal trait 的参考实现 信号接收位图管理 屏蔽字逻辑 处理状态和动作表	tg-kernel-context tg-signal
tg-sync	互斥锁（Mutex trait: lock / unlock） 阻塞互斥锁（MutexBlocking） 信号量（Semaphore: up / down） 条件变量（Condvar: signal / wait_with_mutex） 等待队列（VecDeque<ThreadId>） UPIntrFreeCell	MutexBlocking 阻塞互斥锁 Semaphore 信号量 Condvar 条件变量 通过 ThreadId 与调度器交互	tg-task-manage
tg-user	用户态程序（User-space App） 用户库（User Library） 系统调用封装（syscall wrapper） 用户堆分配器 用户态 print! / println!	用户测试程序运行时库 系统调用封装 用户堆分配器 各章节测试用例（ch2~ch8）	tg-console tg-syscall
tg-checker	测试验证 输出模式匹配 正则表达式（Regex） 测试用例判定	rCore-Tutorial CLI 测试输出检查工具 验证内核输出匹配预期模式 支持 --ch N 和 --exercise 模式	无
tg-linker	链接脚本（Linker Script） 内核内存布局（KernelLayout） .text / .rodata / .data / .bss / .boot 段 入口点（boot0! 宏） BSS 段清零	形成内核空间布局的链接脚本模板 用于 build.rs 工具构建 linker.ld 内核布局定位（KernelLayout::locate） 入口宏（boot0!） 段信息迭代	无

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