XV6 RISCV源码阅读报告之中断

一、xv6中断异常

在操作系统运行用户进程时处于用户态，当发生异常、中断或陷入时，需要从用户态进入内核态调用处理机制。陷入内核之前需要保存上下文，而在处理完成，回到用户态时需要恢复上下文。代码包括trap.c, proc.h, syscall.c, sysproc.c, plic.c, trampoline.S等。

1.1代码阅读与分析

1.1.1trampoline.S与kernelvec.S

riscv为处理trap提供了scause（记录发生trap原因）、stvec（记录trap wrapper地址，在trap发生时读入pc）、sepc（保存更新pc前的pc值）、sscratch（保存进程的trapframe地址，保存相关寄存器在其上）等寄存器。

trampoline汇编文件负责处理在用户态发生的中断，当用户态中断时，trap.c将其中uservec的地址放入stvec中，处理程序从这里开始。uservec首先找到trapframe地址并把当前的寄存器保存在trapframe中，包括用户寄存器、栈指针、返回地址等，最后跳转到usertrap()函数中判断trap类型并作出处理。

stvec寄存器另一个可能的值是kernelvec.S中的kernelvec，它将现场保存在内核栈中然后调用trap.c中的C trap handler kerneltrap。

在usertrap和kerneltrap之外，riscv还需要处理由计时器引发的timertrap。xv6为timertrap提供了许多专用寄存器，并产生一个软中断，让kernelvec来处理timertrap。

只要发生trap，必定会进入内核态，因此不会有多重的usertrap，正因如此，进程也只有一个trapframe。但在内核中，可能会发生多重中断，为了在内核代码出错时进行trap，处理多重中断需要有能存放多个trapframe的空间。

1.1.2trap.c

在trap.c中，包含初始化函数，usertrap及ret，kerneltrap和devicetrap几部分。

初始化函数在main.c中被调用，第一个CPU上初始化tick的锁，全部CPU上都把stevc里面的中断处理入口设置为了kernelvec。

在usertrap中，首先判断是否处于用户模式，然后把kernelvec填入stvec以切换到内核模式进行中断并保存现场。在通过r_scause()函数读取中断号后判断是什么类型的中断。如果是系统调用，就通过syscall()开始执行系统调用的流程，然后调用devintr判断是软件中断还是外部中断，并执行对应的处理程序，如果都不符合就报错打印信息杀死进程。最后调用usertrapret。

在usertrapret中，先关中断，然后设置stevc为TRAMPOLINE + (uservec - trampoline)，正是uservec的值（TRAMPOLINE）。然后是一些恢复现场的工作。这个函数是为了将来的来自用户控件的陷阱做准备。最后在用户和内核页表中都映射的trampoline页面上调用userret，让汇编代码切换页表。

在kerneltrap中，首先是判断是否处于正确的状态，如监管态、关中断。如上一节中所说，kerneltrap需要做好多重中断的准备。

最后是外部设备引起的中断如时钟，导致进程切换也是一种设备中断。在devintr中，通过plic_claim()函数获取中断的类型，可能会有物理内存泄露、磁盘错误或者超时。如果是时钟引发的中断，就引用上面的clockintr，把tick加加。

1.1.3proc.h、proc

proc.h定义了栈帧结构、进程的结构和上下文。proc中有一些内核函数。

1.1.4syscall、sysproc

在syscall.h中，定义了不同的系统调用号，在syscall.c中，有一些帮助取值的函数，然后是对系统调用的声明的定义函数数组。最后有syscall()函数来判断需要做什么系统调用并填装对应的处理函数地址。这正是trap.c当中做的一部分。

函数artint、artaddr、argfd从陷阱框架中检索第n个系统调用参数并分别用对应的形式保存在其参数*ip处。他们都调用argraw来检索相应的保存的用户寄存器。

fetchstr是内核传输数据的一个例子。文件系统调用如exec使用fetchstr从用户空间检索字符串名称，实际上是对copyinstr的包装。

在sysproc.c中有一些对系统调用的包装，在proc.c中有其实质的内容。

1.2 机制

在发生trap时，一般的处理流程是

控制转移到kernel
kernel保存当前进程状态（在trampoline.S中，保存寄存器到trapframe，设置内核栈指针，恢复tp寄存器保存当前CPU的ID，从trapframe中取出内核页表地址，设置为satp的值，刷新tlb，从tf中取出usertrap地址并跳转）
usertrap执行handler代码
执行usertrapret
回到用户态，继续执行程序

riscv还有硬件用于处理trap，这在代码中并没有体现。

如果陷阱是设备中断，并且状态SIE位被清空，则不执行以下任何操作。
清除SIE以禁用中断。
将pc复制到sepc。
将当前模式（用户或管理）保存在状态的SPP位中。
设置scause反映产生陷阱的原因。
设置管理模式，赋值stvec到pc，执行新pc

1.2.1 从用户空间陷入

用户程序发出系统调用或执行非法操作或设备中断时都会产生trap。trap的路径为uservec(kernel/trampoline.S:16), usertrap(kernel/trap.c:37); 在返回时，先是usertrapret(kernel/trap.c:90), 然后是userret(kernel/trampoline.S:16)。

在uservec启动时，32个寄存器都被先前触发中断的代码使用，riscv提供了sscratch寄存器交换a0，使得uservec有一个寄存器可以使用。交换后a0持有指向trapframe的指针（原sscratch保存），然后将所有寄存器包括现在的sscratch保存进trapframe。uservec取得trapframe中包含的信息并将satp切换到内核页表，调用usertrap。

usertrap确定陷阱的原因。在1.1.2中已经说明了它的行为。

返回用户空间第一步是调用usertrapret，见1.1.2。

usertrapret调用userret将指针传到a0中的用户页表和a1中的trapframe。userret将satp切换为用户页表，并复制trapframe保存的用户a0到sscratch，为以后的交换做准备。最终使用sret返回用户空间。

1.2.2从内核空间陷入

当CPU上执行内核时，stvec被设定为指向kernelvec(kernel/kernelvec.S:10)的汇编代码，kernelvec将寄存器保存在被中断的内核线程的栈上，因为寄存器值属于该线程。如果trap导致切换进程，那么保存当前寄存器的值是很重要的，因为返回时会直接去往新进程的栈。

kernelvec保存寄存器后跳转到kerneltrap(kernel/trap.c:134)，检查异常类型，通过devintr来处理设备中断，如果不是设备中断，那就是一个异常，需要调用panic杀死进程。

如果是时钟中断导致的异常，且一个进程的内核线程正在运行，那么就会通过yield切换其他线程来执行。在某个时刻，中断之前的线程会再次恢复。

kerneltrap完成后，它需要返回到任何被陷阱中断的代码。kerneltrap恢复在启动时保存的sepc和sstatus等寄存器，返回到kernelvec(kernel/kernelvec.S:48)，kernelvec恢复保存的寄存器，执行sret，将sepc复制到pc，恢复执行中断的内核代码。

1.2.3系统调用

用户代码将exec需要的参数放在a0和a1寄存器中，将系统调用号放在a7中，通过系统调用号在syscalls函数指针数组中寻址一个条目。ecall指令陷入到内核中，执行uservec、usertrap、syscall，正如上文所说。

syscall()从trapframe保存的a7检索系统调用号，并所引导syscall中。在第一次系统调用，执行的是SYS_exec，导致调用sys_exec函数。

当系统调用函数返回时，syscall把返回值记录在trapframe->a0寄存器，使得原本用户空间调用的exec()返回该值，通常负数代表错误，0或正数表示成功。

1.3小结

Trap的引入，让PC改变了简单状态机式的工作，trap强行修改了PC的值，并为修改前后能正常工作做了许多准备。操作系统的功能几乎都离不开trap，如进程线程管理、内存管理、设备和文件的管理等。

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