6.s081 学习实验记录（五）traps

一、RISC-V assembly

简介

• git checkout traps，切换到traps分支
• user/call.c 文件在我们输入 make fs.img 之后会被汇编为 call.asm 文件，阅读该汇编文件中的函数：f、h、main
• call.c 中的代码比较简单：

#include "kernel/param.h"
#include "kernel/types.h"
#include "kernel/stat.h"
#include "user/user.h"

int g(int x) {
  return x+3;
}

int f(int x) {
  return g(x);
}

void main(void) {
  printf("%d %d\n", f(8)+1, 13);
  exit(0);
}
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问题

我们需要回答以下问题：

• 哪些寄存器用于传参？ 例如，main 函数调用 printf 时持有13 这个参数
  
  RISC-V 寄存器作用如下图：
  通过main函数的汇编代码，可以知道参数 13 使用 a2 寄存器传递
  
• main函数对应的汇编代码在哪里调用了函数f ？ 函数 g 的调用在哪里？（编译器可能会优化某些函数为内联函数）
  由问题一查看的汇编可知，main函数并未调用函数 f，而是直接由编译器优化得到了结果
• printf 函数的地址是什么？
  printf 的地址为 0x64a（虚拟地址），main 函数中的调用也能说明这一点
  
  
• main 函数中使用 jalr 到 printf 之后，ra寄存器的值是什么？
  jalr 指令执行时，会将 pc + 4 的值存放到 ra 寄存器中作为返回地址，因此ra的值为 0x38
• 运行下面的代码，输出是什么？（输出取决于大小端，RISC-V为小端模式，如果是大端，相同输出需要将 57616 改为多少？）
  • unsigned int i = 0x00646c72;
  • printf(“H%x Wo%s”, 57616, &i);
  • 输出为：He110 World
  • 因为，57616对应16进制的 0xe110，0x00646c72 以小端存储，实际为 0x6c720064,0x6c对应r，0x72对应 l，0x64对应d（00代表NULL，不显示）。如果是大端，则高地址在高处，因此应该存储为 0x6c720064 或者 0x6c7264
• 下面的代码，y=后面的输出是什么？为什么？
  • printf(“x=%d y=%d”, 3);
  • 输出为：乱码，因为参数传递时使用的寄存器是确定的，因此如果第二个参数不传递，依然还是会用a2寄存器传递，此时a2中的值是caller中的残留值

二、Backtrace

简介

当发生错误时，打印当前的调用栈。每个函数栈帧包含一个返回地址以及一个指向caller栈帧的 frame pointer（我理解就是caller的rsp）

在kernel/printf.c 中实现一个 backtrace()，在 sys_sleep 中插入对该函数的调用，然后运行 bttest，该用户程序会调用 sleep 系统调用，此时应该打印堆栈

bttest 在qemu中执行完毕之后，新开一个窗口执行 addr2line -e kernel/kernel (or riscv64-unknown-elf-addr2line -e kernel/kernel)，将有如下输出：

阅读：kernel/sysproc.c:74、kernel/syscall.c:224、kernel/trap.c:85

注意

• kernel/defs.h 中添加 backtrace() 函数的声明
• gcc产生汇编时，会将栈指针存放在 s0 寄存器，在kernel/riscv.h 中添加如下代码：

static inline uint64
r_fp()
{
  uint64 x;
  asm volatile("mv %0, s0" : "=r" (x) ); //含义为读取 s0 寄存器中的值，赋值给 x 并返回 x
  return x;
}
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• 返回地址位于栈指针 - 8的位置，保存的栈指(caller的栈指针地址)针位于当前函数的栈指针的-16处（栈指针即 rbp）
• 你需要识别最后一个栈帧并结束，由于函数栈最大为4KB，因此可以使用 PGROUNDDOWN(fp) (see kernel/riscv.h) 来判断是否到达最后一个函数栈

实验代码

思路：
1、首先 kernel/riscv.h 添加要求的代码，kernel/defs.h 声明 backtrace()
2、 backtrace() 的逻辑为：使用 r_fq() 获取当前栈指针，打印栈指针 - 8 的地址(即调用栈)，并 -16，得到上一个栈帧的地址，依次类推，直到地址等于 PGROUNDDOWN(fp) (see kernel/riscv.h)

• kernel/riscv.h

static inline uint64
r_fp()
{
  uint64 x;
  asm volatile("mv %0, s0" : "=r" (x) ); //含义为读取 s0 寄存器中的值，赋值给 x 并返回 x
  return x;
}
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• kernel/defs.h

void            backtrace(void);
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• kernel/printf.c

void backtrace(void){
  // 获取当前栈帧
  uint64 addr = r_fp();
  // 向上遍历
  while(addr != PGROUNDDOWN(addr)){
    printf("%p\n", *(uint64 *)(addr - 8));
    addr = *(uint64 *)(addr - 16);
  }
}
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• kernel/sysproc.c

uint64
sys_sleep(void)
{
  int n;
  uint ticks0;

  argint(0, &n);
  //...其他代码
  backtrace();
  return 0;
}
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实验结果

三、Alarm

简介

添加一项新的功能，定时报警，即简单的用户级中断/故障处理程序。为以后缺页中断打下基础。

添加一个新的系统调用 sigalarm(interval, handler)，如果用户态应用调用 sigalarm(n, fn)，那么每当该程序消耗 n 个cpu ticks，内核会调用一次 fn 。当调用 sigalarm(0, 0) 时停止。

注意

• makefile 中添加 user/alarmtest.c
• 正确的结果输出如下：
  

实验代码

思路：proc中添加三个字段，分别记录用户设置的ticks，cur_ticks以及callback，系统调用则是设置进程的 ticks 以及callback，在处理时钟中断时，给当前的进程cur_ticks 加1，判断和ticks是否相等，相等则调用callback。

时钟中断的处理函数为 clockintr(),当用户态进程运行时来了时钟中断，调用路径为：usertrap---判断类型---devintr

详细流程：参考 xv6-book 第四章

trap发生时， cpu 硬件会做一些准备 (book:44页)，该步骤设置了SIE位， 保存 pc，设置trap原因，进入内核态（但是不切换内核页表以及内核栈），执行 trap 处理函数(stvec寄存器保存的地址)

如果是在用户态发生 trap，此时处理函数为 uservec，该函数保存了用户寄存器以及其他状态，切换内核页表（所以trap发生时，硬件只保证切换到内核态，即cpu设置为管理模式，但是并不会切换页表，切换页表是在trap处理函数中做的），最后跳转到 usertrap()执行。

因此，我们需要在 usertrap 函数中添加对于时钟中断的判断逻辑以及用户callback的调用逻辑（需要保证不可重入，即我们如果在执行 callback 的时候再次被时钟中断trap，此时不应该再次执行callback，所以还需要在proc.h中添加一个字段用于防止重入）。usertrap中本身有对于时钟中断的判断逻辑，即进程调度的部分，具体代码如图（所以照猫画虎即可）：

最后还有一点需要注意，我们的callback函数是应该在用户态运行的(因为内核态无法解析用户态的虚拟地址，所以无法调用callback)，此时我们处于内核态，因此我们需要保存上下文，切换到用户态，执行完callback之后，切换回内核态，恢复上下文，继续usertrap的执行。

如何切换到内核态呢？此时我们借助 usertrapret() 来返回用户态，所以我们需要更改trap的返回地址，当前 trap 的返回地址为 p->trapframe->epc += 4;(kernel/trap.c:61)。所以，我们首先保存一下当前 trapframe，然后更改 trapframe->epc = callback，这样在 usertrapret() 返回用户态后执行的就是 callback 函数，此时需要注意，callback函数是不能有参数的（因为这不是正常的函数调用）

callback执行成功了，但是我们该如何返回到用户态代码原先的地方执行呢？ 因此，实验测试代码中提供了另外一个系统调用 sigreturn()，来让我们重新回到内核态，恢复进入 trap 时的用户上下文，在这一次的 usertrapret() 返回到用户进程原先执行的地方。（xv6 设计的中断、系统调用走相同的调用路径，因此这里可以执行这样的骚操作。）

总体流程：

• 用户态程序
• 用户态程序 —> 时钟中断 --> usertrap() (p->trapframe->epc 保存用户态程序的下一条执行语句) —> 保存trapframe 到另外一个地方(假设为A) —> 更改 p->trapframe = callback —> usertrapret() 返回用户态执行callback —> 通过sigreturn() 重新进入trap流程 —> 此时走系统调用路径 ----> sys_sigreturn() 恢复 p->trapframe 为最开始保存的(从A处读取) —>usertrapret() 返回用户态trap中断处继续执行
• 一次 alarm trap 需要往返内核态两次

代码：

• kernel/proc.h

// Per-process state
struct proc {
  struct spinlock lock;
  //新增字段
  int ticks; //回调执行所需要ticks
  int cur_ticks; //当前进程的ticks
  void* callback; //回调函数
  struct trapframe backup; //保存trapframe
  int execing; //是否已经在执行了
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• makefile

UPROGS=\
	$U/_alarmtest\
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• user/user.h

int sigalarm(int ticks, void (*callback)());
int sigreturn(void);
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• user/usys.pl

entry("sigalarm");
entry("sigreturn");
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• kernel/syscall.h

#define SYS_sigalarm  22
#define SYS_sigreturn  23
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• kernel/syscall.c

extern uint64 sys_mkdir(void);
extern uint64 sys_close(void);
//新增
extern uint64 sys_sigalarm(void);
extern uint64 sys_sigreturn(void);

static uint64 (*syscalls[])(void) = {
//其他
[SYS_mkdir]   sys_mkdir,
[SYS_close]   sys_close,
// 新增
[SYS_sigalarm]   sys_sigalarm,
[SYS_sigreturn]   sys_sigreturn,
};
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• kernel/sysproc.c

uint64
sys_sigalarm(void){
  int ticks = 0;
  uint64 callback = 0;
  argint(0,&ticks);
  argaddr(1, &callback);

  struct proc* proc = myproc();
  proc->ticks = ticks;
  proc->callback = (void *)callback;
  proc->execing = 0;
  return 0;
}

uint64
sys_sigreturn(void){
  struct proc* proc = myproc();
  *(proc->trapframe) = proc->backup;
  proc->execing = 0;
  // 由于该函数返回后，返回值保存在a0中，会覆盖trapframe中原来的a0
  // 该函数返回之后就会走 usertrapret() 返回到用户态
  return proc->trapframe->a0;
}
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• kernel/trap.c

  if(killed(p))
    exit(-1);
  // 新增代码 
  if(which_dev == 2){
    struct proc* proc = myproc();
    // 设置了ticks 且没有执行
    if(proc->ticks > 0 && proc->execing == 0){
      proc->cur_ticks++;
      if(proc->cur_ticks == proc->ticks){
        proc->execing = 1;
        proc->backup = *(proc->trapframe); //保存trapframe
        proc->trapframe->epc = (uint64)proc->callback;
        proc->cur_ticks = 0;
      }
    }
  }
  // 新增结束
  // give up the CPU if this is a timer interrupt.
  if(which_dev == 2)
    yield();
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实验结果

• make qemu
  
• ./grade-lab-traps running alarmtest