说明

阅读的代码是 xv6-riscv 版本的

陷入机制概述

每个RISC-V CPU都有一组控制寄存器，内核通过向这些寄存器写入内容来告诉CPU如何处理陷阱，内核可以读取这些寄存器来明确已经发生的陷阱。RISC-V文档包含了完整的内容。riscv.h(kernel/riscv.h:1)包含在xv6中使用到的内容的定义。以下是最重要的一些寄存器概述：

stvec：内核在这里写入其陷阱处理程序的地址；RISC-V跳转到这里处理陷阱。
sepc：当发生陷阱时，RISC-V会在这里保存程序计数器pc（因为pc会被stvec覆盖）
sret（从陷阱返回）指令会将sepc复制到pc。内核可以写入sepc来控制sret的去向。
scause： RISC-V在这里放置一个描述陷阱原因的数字。
sscratch：内核在这里放置了一个值，这个值在陷阱处理程序一开始就会派上用场。
sstatus：其中的SIE位控制设备中断是否启用。如果内核清空SIE，RISC-V将推迟设备中断，直到内核重新设置SIE。SPP位指示陷阱是来自用户模式还是管理模式，并控制sret返回的模式。

上述寄存器都用于在管理模式下处理陷阱，在用户模式下不能读取或写入。在机器模式下处理陷阱有一组等效的控制寄存器，xv6仅在计时器中断的特殊情况下使用它们。

Traps from user space

在用户空间中，使用系统调用会触发trap机制
例如：write()函数

.global write
write:li a7, SYS_writeecallret

调用逻辑

ecall

这是一个汇编指令，他会做下面操作

1.清除SIE以禁用中断。
2.将pc复制到sepc。
3.将当前模式（用户或管理）保存在状态的SPP位中。
4.设置scause以反映产生陷阱的原因。
5.将模式设置为管理模式。
6.将stvec复制到pc。
7.在新的pc上开始执行。

注意：stvec指向的地址是 uservec，将stvec复制到pc后，下面会到从uservec开始执行

uservec

# trampoline.S
uservec:# 交换 a0 和 sscratch 寄存器的值# so that a0 is TRAPFRAMEcsrrw a0, sscratch, a0# 将寄存器保存到当前进程的 trapframe 中sd ra, 40(a0)# ... 保存寄存器sd t6, 280(a0)# 同时也保存 a0csrr t0, sscratchsd t0, 112(a0)# 从 user mode 的 traptable 中恢复一些内核的信息ld sp, 8(a0)ld tp, 32(a0)ld t0, 16(a0)ld t1, 0(a0)csrw satp, t1sfence.vma zero, zero# a0 is no longer valid, since the kernel page# table does not specially map p->tf.# jump to usertrap(), which does not returnjr t0

在进行系统调用之前，p->trapframe 的起始地址会被保存在 sscratch 寄存器中
usertrap 首先将所有的寄存器保存在 p->trapframe 中
将原本保存在p->trapframe中的内核信息加载到寄存器当中
- sp
- tp
- 内核页表地址
- usertrap地址
将页表切换到内核页表
跳转到usertrap

usertrap

void usertrap(void) {int which_dev = 0;if((r_sstatus() & SSTATUS_SPP) != 0)panic("usertrap: not from user mode");// 设置 stvec 为 kernelvecw_stvec((uint64)kernelvec);struct proc *p = myproc();// 保存PC, 否则可能会有其他的 usertrap 修改它p->trapframe->epc = r_sepc();if(r_scause() == 8){// system callif(p->killed)exit(-1);// 系统调用返回下一条命令p->trapframe->epc += 4;// 做完寄存器的操作之后打开设备中断intr_on();syscall(); // 系统调用} else if((which_dev = devintr()) != 0){// ok} else {printf("usertrap(): unexpected scause %p pid=%d\n", r_scause(), p->pid);printf("            sepc=%p stval=%p\n", r_sepc(), r_stval());p->killed = 1;}if(p->killed)exit(-1);// give up the CPU if this is a timer interrupt.if(which_dev == 2)yield();usertrapret();
}

判断是否在管理模式下
设置 stvec 为 kernelvec
保存PC, 否则可能会有其他的 usertrap 修改它
判断trap类型
- 系统调用
  - p->trapframe->epc += 4(系统调用返回下一条命令)
  - 打开设备中断
  - syscall()进行系统调用
- 设备中断
  - yield
- 异常
根据trap类型执行相应操作
调用usertrapret函数

usertrapret

该部分代码就是做一些返回用户模式的准备

void usertrapret(void)
{struct proc *p = myproc();// we're about to switch the destination of traps from// kerneltrap() to usertrap(), so turn off interrupts until// we're back in user space, where usertrap() is correct.intr_off();// send syscalls, interrupts, and exceptions to trampoline.Sw_stvec(TRAMPOLINE + (uservec - trampoline));// set up trapframe values that uservec will need when// the process next re-enters the kernel.p->trapframe->kernel_satp = r_satp();         // kernel page tablep->trapframe->kernel_sp = p->kstack + PGSIZE; // process's kernel stackp->trapframe->kernel_trap = (uint64)usertrap;p->trapframe->kernel_hartid = r_tp(); // hartid for cpuid()// set up the registers that trampoline.S's sret will use// to get to user space.// set S Previous Privilege mode to User.unsigned long x = r_sstatus();x &= ~SSTATUS_SPP; // clear SPP to 0 for user modex |= SSTATUS_SPIE; // enable interrupts in user modew_sstatus(x);// set S Exception Program Counter to the saved user pc.w_sepc(p->trapframe->epc);// tell trampoline.S the user page table to switch to.uint64 satp = MAKE_SATP(p->pagetable);// jump to trampoline.S at the top of memory, which// switches to the user page table, restores user registers,// and switches to user mode with sret.uint64 fn = TRAMPOLINE + (userret - trampoline);((void (*)(uint64, uint64))fn)(TRAPFRAME, satp);
}

关闭中断
将内核信息保存到p->trapfarm当中
设置sstatus寄存器 (用户模式)
将p->trapframe->epc（用户模式下要执行的下一条命令）放到sepc寄存器当中
将用户页表保存在stap（此处是定义的变量，并非是寄存器）
跳转到rampoline，执行userret

userret

.globl userret
userret:# userret(TRAPFRAME, pagetable)# switch from kernel to user.# usertrapret() calls here.# a0: TRAPFRAME, in user page table.# a1: user page table, for satp.# switch to the user page table.csrw satp, a1sfence.vma zero, zero# put the saved user a0 in sscratch, so we# can swap it with our a0 (TRAPFRAME) in the last step.ld t0, 112(a0)csrw sscratch, t0# restore all but a0 from TRAPFRAMEld ra, 40(a0)# ...恢复寄存器ld t6, 280(a0)# restore user a0, and save TRAPFRAME in sscratchcsrrw a0, sscratch, a0# return to user mode and user pc.# usertrapret() set up sstatus and sepc.sret

切换到用户页表
将之前保存的寄存器恢复
将TRAPFRAME保存回ssractch当中
sret

sret

程序切换到用户模式
将sepc存到pc当中
开启中断
跳到pc开始执行

Traps from kernel mode

在内核模式下，trap 只有两类：exceptions 、device interrupt
当一个 trap 发生的时候，首先硬件开始工作，配置寄存器
此时 stvec 指向了 kernelvec 的起始地址

kernelvec

因为是发生在内核状态下的，所以相较于系统调用，就简单很多

# kernel/kernelvec.S
.globl kerneltrap
.globl kernelvec
.align 4
kernelvec:# 在栈上开辟一块空间用于保存寄存器addi sp, sp, -256sd ra, 0(sp)# ... 保存所有寄存器sd t6, 240(sp)# 调用 C 处理程序call kerneltrap# 恢复寄存器到之前的状态ld ra, 0(sp)# ... 恢复所有的寄存器(除了 tp)ld t6, 240(sp)# 恢复栈指针addi sp, sp, 256# 返回到之前的运行状态sret

在栈上开辟一段空间，用来保存寄存器
保存寄存器
调用 C 处理程序kerneltrap
恢复寄存器到之前的状态
恢复栈指针
返回到之前的运行状态

kerneltrap

kerneltrap的处理和usertrap还是很了类似的

// interrupts and exceptions from kernel code go here via kernelvec,
// on whatever the current kernel stack is.
void kerneltrap()
{int which_dev = 0;uint64 sepc = r_sepc();uint64 sstatus = r_sstatus();uint64 scause = r_scause();if ((sstatus & SSTATUS_SPP) == 0)panic("kerneltrap: not from supervisor mode");if (intr_get() != 0)panic("kerneltrap: interrupts enabled");if ((which_dev = devintr()) == 0){printf("scause %p\n", scause);printf("sepc=%p stval=%p\n", r_sepc(), r_stval());panic("kerneltrap");}// give up the CPU if this is a timer interrupt.if (which_dev == 2 && myproc() != 0 && myproc()->state == RUNNING)yield();// the yield() may have caused some traps to occur,// so restore trap registers for use by kernelvec.S's sepc instruction.w_sepc(sepc);w_sstatus(sstatus);
}

保存sepc,sstatus,scause寄存器（因为 yield()可能会引起其他陷阱，修改寄存器）
判断是否处于管理模式
判断trap类型，并执行相应操作
恢复sepc,sstatus,scause寄存器

感言

这部分还是卡了很久，因为出现了很多汇编，需要了解xv6的寄存器，以及RSICV指令集，还有栈桢相关的知识，后续继续一步一步完成，继续努力

参考资料

http://xv6.dgs.zone/tranlate_books/book-riscv-rev1/c1/s0.html
xv6-riscv源码

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