2020 mit6.s081 os Lab: xv6 traps

文章目录

实验链接
实验
- RISC-V assembly
- Backtrace
- Alarm
- 提交结果
- 查看结果
课程涉及知识汇总
- 寄存器
- page table
- 指令
- GDB
- Trapline
- Trapframe
常用命令
参考链接
Github

友情链接：全部实验哟

实验链接

https://pdos.csail.mit.edu/6.S081/2020/labs/pgtbl.html

实验

RISC-V assembly

a0-a7，13保存在a2里
函数f和g直接被内联优化了，即printf的第2个参数直接是12(f(8)+1的结果).
0x640
ra保存的是函数调用后返回的地址，由下图可以看出为0x38
He110 World（本人的机器是小端的，所以是这个输入，如果是大端的，输出则不一样）
```
unsigned int i = 0x00646c72;
printf("H%x Wo%s", 57616, &i);
```
y的输出结果为0，保存的是a2寄存器中的值。
```
printf("x=%d y=%d", 3);
```

Backtrace

该题的主要目的是打印当前进程的调用链，为实现该函数，我们首先需要了解栈的分布情况，如下图所示：

stack地址从高到低进行增长；
sp: 指向栈的最底端；
fp: 当前栈帧的顶端；
return address是地址是fp-8
prev frame fp保存地址是fp-16

按照实验提示进行代码更改：

kernel/defs.h，添加头文件。

// printf.c
void            printf(char*, ...);
void            panic(char*) __attribute__((noreturn));
void            printfinit(void);
// begin++++
void            backtrace(void);
// end------

kernel/syspro.c，在函数sys_sleep中添加调用

uint64
sys_sleep(void)
{int n;uint ticks0;// begin+++++backtrace();// end-------if(argint(0, &n) < 0)return -1;acquire(&tickslock);ticks0 = ticks;while(ticks - ticks0 < n){if(myproc()->killed){release(&tickslock);return -1;}sleep(&ticks, &tickslock);}release(&tickslock);return 0;
}

kernel/riscv.h文件中，添加如下函数，该函数的主要作用是从s0寄存器读取数值。（gcc编译器将当前正在执行函数的栈帧指针保存在s0寄存器中）
```
static inline uint64
r_fp()
{uint64 x;asm volatile("mv %0, s0" : "=r" (x) );return x;
}
```

kernel/printf.c文件中，添加如下函数：


void
backtrace(void)
{// 获取栈帧首地址uint64 fpaddr = r_fp();// 获取当前进程在kernel中stack的最大地址uint64 max = PGROUNDUP(fpaddr);// 因为栈是从高地址至低地址增长的，所以这里用小于号判断while (fpaddr < max) { // return address是当前fp-8printf("%p\n", *((uint64*)(fpaddr - 8)));// 调用该函数的栈帧便宜是fp - 16fpaddr = *((uint64*)(fpaddr - 16));}
}

kernel/printf.c文件中，在函数panic中添加对backtrace的调用：

void
panic(char *s)
{// begin+++++  backtrace();// end+++++++  pr.locking = 0;printf("panic: ");printf(s);printf("\n");panicked = 1; // freeze uart output from other CPUsfor(;;);
}

运行结果：

Alarm

该题的主要目的是让我们增加一个系统调用，该系统调用会在指定时间间隔后调用用户态的函数，因此需要我们对内核态的相关状态进行保存。按照实验提示一步一步来即可。涉及修改的文件如何所示：

Makefile文件，增加如下代码：
```
+       $U/_alarmtest\
```

文件kernel/proc.h文件

struct proc {.... struct file *ofile[NOFILE];  // Open filesstruct inode *cwd;           // Current directorychar name[16];               // Process name // begin+++++++ int alarmticks; // ticks intervaluint64 alarmhandler; // function to handler alarmint tickspass;struct trapframe * alarmtrapframe;int accessable;// end+++++++
}

文件Kernel/proc.c，在函数allproc中增加如下内容：

static struct proc*
allocproc(void)
{......   // Allocate a trapframe page.// begin++++++if((p->alarmtrapframe = (struct trapframe *)kalloc()) == 0){release(&p->lock);return 0;}p->tickspass = 0;p->alarmticks = 0;p->alarmhandler = 0;p->accessable = 1;return p;// end++++++
}

文件Kernel/proc.c，在函数freeproc中增加如下内容：

 // begin++++ if(p->alarmtrapframe)kfree((void*)p->alarmtrapframe);p->alarmtrapframe=0;// end+++++

在文件kernel/syscall.h中，增加如下内容

// begin++++
#define SYS_sigalarm 22
#define SYS_sigreturn 23
// end++++

在文件kernel/syscall.c中，增加如下内容

 ....extern uint64 sys_wait(void);extern uint64 sys_write(void);extern uint64 sys_uptime(void);// begin++++extern uint64 sys_sigalarm(void);extern uint64 sys_sigreturn(void);// end++++...
static uint64 (*syscalls[])(void) = {....    //begin++++[SYS_sigalarm] sys_sigalarm,[SYS_sigreturn] sys_sigreturn,
}// end+++++

在文件kernel/syproc.c中，增加两个系统调用函数

uint64
sys_sigalarm(void)
{int ticks = 0;uint64 alarmhandler = 0;if(argint(0, &ticks) < 0 || argaddr(1, &alarmhandler) < 0)return -1;struct proc *p = myproc();p->alarmticks = ticks;p->alarmhandler = alarmhandler;p->tickspass = 0;p->accessable = 1;return 0;
}uint64
sys_sigreturn(void)
{struct proc *p = myproc();// 恢复系统调用时用户的栈帧if (0 == p->accessable) {memmove(p->trapframe, p->alarmtrapframe, sizeof(struct  trapframe));p->accessable = 1;}return 0;
}

在kernel/trap.c文件的usertrap函数中，改为如下内容：

  // give up the CPU if this is a timer interrupt.if(which_dev == 2) {p->tickspass++;if (p->alarmticks != 0 && p->tickspass == p->alarmticks) {// return to user space to call the alarm functionp->tickspass = 0;if (p->accessable == 1) {memmove(p->alarmtrapframe, p->trapframe, sizeof(struct trapframe));p->trapframe->epc = p->alarmhandler;p->accessable = 0;}} else {yield();}}

在文件user/user.h中，添加如下内容：

int sigalarm(int ticks, void (*handler)());
int sigreturn(void);

在文件user/usys.pl中，添加如下内容：
```
entry("sigalarm");
entry("sigreturn");
```
查看结果

提交结果

$ git commit -m "lab page tabls"
$ make handin

查看结果

登录网站https://6828.scripts.mit.edu/2020/handin.py/student，可以看到提交的结果。

课程涉及知识汇总

寄存器

RISC-V有32个用户寄存器，用户可以使用全部的寄存器。
通过系统调用从用户态转到内核态时，相关系统调用的参数，可以通过a0至a7寄存器进行传递。通过调试我们发现：
1. a7一般用来保存系统调用函数的编号；
2. a0-a6可用来保存用户传递给系统调用的参数；
3. a0也用来保存系统调用之后的返回结果；
STVEC：在内核态的时候，指向的是内核的trap代码位置，在用户态的时候，应该指向用户的trap代码位置；
SEPC: 内核的程序计算器
任何需要进行编译的语言（例如C语言），都不能修改用户寄存器。因此，用户寄存器必须在汇编代码中保存。
SSTATUS：控制寄存器，本次课程中用到了其中的两个bit
1. SPP：代表sret指令的行为，为0表示我们要进入用户态，为1表示我们要进入特权态()；
2. SPIE：代表是否打开中断，为0表示关闭，为1表示打开

page table

trapframe page和trampoline page这两个页的PTE_U都为0，表示用户不能访问，只有进入supervisor mode才能访问；

指令

ecall：该命令会将控制权由用户转到内核。执行该指令时，并不会切换page table

GDB

tui enable可以打开对应的C语言代码；

Trapline

由内核映射在各个进程和内核空间的的代码；
该代码涉及到的功能有
1. 将用户寄存器的值保存至trapframe对应字段；

Trapframe

保存用户态和内核态切换时的上下文信息，主要包含相关寄存器的值以及内核page table，内核stack的顶部指针，usertrap代码位置，程序计数器等相关信息，具体可参考文件的kernel/proc.h中的trapframe结构体。

常用命令

ctrl + a c，进入qemu的console页面；
1. 在console页面，输入info mem，可以打印当前的page table。

参考链接

Github

https://github.com/aerfalwl/mit-xv6-labs-2020.git