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Lab 4:traps

Plus大约 12 分钟操作系统MITXV6riscvC

Lab 4:traps

本实验探索系统调用如何实现陷入。你将使用栈先进行一些热身训练，之后你将实现一个用户计陷入处理的例子。

注意

在你开始编码之前，请阅读 xv6 书的第四章以及相关文件：

  • kernel/trampoline.S: 涉及从用户空间切换到内核空间以及返回的汇编过程。
  • kernel/trap.c: 处理所有中断的代码。

开始实验前，请切换到trap分支:

  $ git fetch
  $ git checkout traps
  $ make clean

RISC-V assembly (easyopen in new window)

实验要求翻译

理解一些 RISC-V 汇编语言将会很重要，你在6.1910（6.004）课程中已经接触过它。在你的xv6仓库中有一个文件名为user/call.c。make fs.img编译它，并且会产生一个可阅读的汇编版本的程序在user/call.asm中。阅读call.asm中的g，f和main方法。RISC-V的说明手册在 参考页面open in new window上。以下是你应该回答的一些问题（将答案保存在文件answers-traps.txt中）：

  • 哪些寄存器中存放方法中的参数？例如哪个寄存器保存main调用print打印的13？

    a0-a7保存了方法中的参数，13保存在了a2寄存器中。

  • 汇编代码中的main在哪里调用了方法f，在哪里调用了g？（提示：编译器可能会内链函数）

    没有调用，g(x)函数被内链到f(x)中，f(x)又被内链到main中。

  • 函数printf的地址是什么？

    0x642

    这个地址在汇编代码的这一行，每个人编译后的结果不一定相同

    图1
    图1

  • 在主函数中执行jalr指令跳转到printf之后，寄存器ra中的值是什么？

    ra 是return address的缩写，返回地址。

    34: 612080e7 jalr 1554(ra) # 642 <printf>

    jalr 做两步操作：

    1. 把pc + 4 的值记为t
    2. 把pc的值设置成 $ra + 1554
    3. 把ra寄存器的值设置成t

  • 运行以下代码

    unsigned int i = 0x00646c72;
printf("H%x Wo%s", 57616, &i);

    输出是什么？这是一个 ASCII 表open in new window 映射字节与字符。

    输出取决于RISC-V采用小端序这一事实。如果RISC-V采用的是大端序，为了得到相同的输出，你需要将i设置为什么值？是否需要将57616更改为不同的值？

    以下是对小端序和大端序的描述open in new window ，以及一个更富想象力的描述open in new window。

    输出是"HE110 World",大端序应该是0x726c6400，不需要将16进制的57616改成别的值。

  • 下面的代码中什么会打印在y=的后面（答案不是一个特殊值）。为什么会发生这种情况？

    printf("x=%d y=%d", 3)

    y是一个随机值，取决于调用前保存y的寄存器中存的是什么值。

Backtrace (moderateopen in new window)

实验要求翻译

对于调试来说，拥有一个回溯（backtrace）通常是非常有用的：这是一个在错误发生点之上的堆栈中函数调用的列表。为了帮助生成回溯，编译器生成机器代码，该代码在堆栈上维护与当前调用链中每个函数相对应的堆栈帧。每个堆栈帧包含返回地址和一个指向调用者堆栈帧的“帧指针”。寄存器s0包含指向当前堆栈帧的指针（实际上它指向堆栈上保存的返回地址的地址加上8）。你的backtrace应该使用帧指针来遍历堆栈，并打印每个堆栈帧中保存的返回地址。

重要

在 kernel/printf.c 中实现一个 backtrace() 函数。在 sys_sleep 中插入对该函数的调用，然后运行 bttest，它会调用 sys_sleep。你的输出应该是一个返回地址列表，形式如下（但数字可能会有所不同）：

backtrace:
    0x0000000080002cda
   0x0000000080002bb6
    0x0000000080002898

在 bttest 退出 qemu 后，在终端窗口中运行 addr2line -e kernel/kernel（或 riscv64-unknown-elf-addr2line -e kernel/kernel），并从你的回溯中剪切和粘贴地址，如下所示：

 $ addr2line -e kernel/kernel
   0x0000000080002de2
    0x0000000080002f4a
   0x0000000080002bfc
    Ctrl-D

你应该会看到类似以下的内容：

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

一些提示：

  • 在 kernel/defs.h 中添加 backtrace() 的声明，以便你可以在 sys_sleep 中调用 backtrace。

  • GCC 编译器将当前执行函数的帧指针存储在寄存器 s0 中。在 kernel/riscv.h 中添加以下函数：

    static inline uint64
r_fp()
{
  uint64 x;
  asm volatile("mv %0, s0" : "=r" (x) );
  return x;
}

    并在 backtrace 中调用此函数以读取当前帧指针。r_fp() 使用内联汇编来读取 s0。

  • 这些讲义中有一张堆栈帧布局的图片。注意，返回地址位于堆栈帧指针的固定偏移量（-8）处，而保存的帧指针位于堆栈帧指针的固定偏移量（-16）处。

    图2
    图2

  • 你的 backtrace() 需要一种方法来识别它已经看到了最后一个堆栈帧，并且应该停止。一个有用的事实是，为每个内核堆栈分配的内存由一个单一的页面对齐页组成，因此给定堆栈的所有堆栈帧都在同一页上。你可以使用 PGROUNDDOWN(fp)（参见 kernel/riscv.h）来识别帧指针所引用的页。

一旦你的 backtrace 工作正常，从 kernel/printf.c 中的 panic 调用它，以便在内核崩溃时看到内核的回溯信息。

实验操作

step1

在kernel/defs.h中增加声明：

// printf.c
void            printf(char*, ...);
void            panic(char*) __attribute__((noreturn));
void            printfinit(void);
void            backtrace(); //新增代码

step2

在kernel/riscv.h增加如下代码：

static inline uint64
r_fp()
{
  uint64 x;
  asm volatile("mv %0, s0" : "=r" (x) );
  return x;
}

step3

在kernel/print.c编写backtrace方法

void 
backtrace(){
  //获取当前栈指针的地址
  printf("backtrace: \n");
  uint64 fp = r_fp();
  uint64 up = PGROUNDUP(fp);
  while(fp<up){
    //指针的小用法
    uint64 *frame  = (uint64 *) fp;
    printf("%p \n",frame[-1]);
    fp = frame[-2];
  }
}

这里需要注意提示中的PGROUNDDOWN 与 PGROUNDUP是一对方法

  • PGROUNDUP：将给定地址向上舍入到最近的页面边界。

  • PGROUNDDOWN：将给定地址向下舍入到最近的页面边界。

尝试使用PGROUNDDOWN地址来控制循环，最后总会出现一个多余的地址输出，而改用 PGROUNDUP后，输出结果是正确的。

step4

在kernel/sysproc.c中的sys_sleep中增加backtrace的调用。

uint64
sys_sleep(void)
{
  int n;
  uint ticks0;
  backtrace();//增加调用
  argint(0, &n);
 。。。
}

知识补充(by ** **)

  • 函数调用栈

    xv6中的页面大小为4KB，栈指针保存在sp寄存器中。

    图3
    图3

  • 栈帧

    当前栈帧的地址保存在 s0/fp寄存器里，栈帧指针往下偏移8个字节是函数返回地址 return address，往下偏移16个字节是上一个栈帧的栈帧指针(previous frame pointer)

    图4
    图4

    栈从高地址向低地址增长，每个大的box叫一个stack frame(栈帧)，栈帧由函数调用来分配，每个栈帧大小不一定一样，但是栈帧的最高处一定是return address

    sp是stack pointer，用于指向栈顶(低地址)，保存在寄存器中

    fp是frame pointer，用于指向当前帧底部(高地址)，保存在寄存器中，同时每个函数栈帧中保存了调用当前函数的函数(父函数)的fp(保存在to prev frame那一栏中)

    这些栈帧都是由编译器编译生成的汇编文件生成的

Alarm (hardopen in new window)

重要

在这个练习中，你将为xv6添加一个功能，使其定期提醒一个进程在使用CPU时间。这对于希望限制CPU时间消耗的计算密集型进程，或者对于既想进行计算又想定期执行某些操作的进程可能很有用。更广泛地说，你将实现一种用户级中断/故障处理程序的原始形式；例如，你可以使用类似的方法来处理应用程序中的页面错误。如果你的解决方案通过了alarmtest和usertests -q，那么它就是正确的。

你应该添加一个新的系统调用 sigalarm(interval, handler)。如果一个应用程序调用了 sigalarm(n, fn)，那么在程序消耗的每 n 个 "ticks" 的 CPU 时间后，内核应该调用应用程序函数 fn。当 fn 返回时，应用程序应该从离开的地方继续执行。在 xv6 中，一个 "tick" 是一个相当任意的时间单位，由硬件定时器生成中断的频率决定。如果应用程序调用了 sigalarm(0, 0)，内核应该停止生成周期性的警报调用。

你会在你的 xv6 仓库中找到一个文件 user/alarmtest.c。将其添加到 Makefile 中。在你添加了 sigalarm 和 sigreturn 系统调用之前，它不会正确编译（见下文）。

alarmtest 在 test0 中调用 sigalarm(2, periodic)，请求内核每 2 个 ticks 强制调用 periodic()，然后旋转一段时间。你可以在 user/alarmtest.asm 中看到 alarmtest 的汇编代码，这可能对调试很有帮助。当 alarmtest 产生如下输出并且 usertests -q 也能正确运行时，你的解决方案是正确的：

$ alarmtest
test0 start
........alarm!
test0 passed
test1 start
...alarm!
..alarm!
...alarm!
..alarm!
...alarm!
..alarm!
...alarm!
..alarm!
...alarm!
..alarm!
test1 passed
test2 start
................alarm!
test2 passed
test3 start
test3 passed
$ usertest -q
...
ALL TESTS PASSED
$

当你完成时，你的解决方案将只有几行代码，但要正确实现可能会有些棘手。我们将使用原始仓库中的alarmtest.c版本测试你的代码。你可以修改alarmtest.c来帮助你调试，但请确保原始的alarmtest显示所有测试都通过。

test0: invoke handler

开始时，修改内核以跳转到用户空间的警报处理程序，这将导致test0打印"alarm!"。目前不必担心"alarm!"输出后会发生什么；如果你的程序在打印"alarm!"后崩溃，这没关系。以下是一些提示：

  • 你需要修改Makefile，使alarmtest.c被编译为xv6用户程序。

  • 在user/user.h中正确的声明是：

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

  • 更新user/usys.pl（生成user/usys.S）、kernel/syscall.h和kernel/syscall.c，以允许alarmtest调用sigalarm和sigreturn系统调用。

  • 目前，你的sys_sigreturn应该只返回0。

  • 你的sys_sigalarm()应该在proc结构（在kernel/proc.h中）中存储警报间隔和处理函数指针。

  • 你需要跟踪自上次调用（或剩余直到下次调用）进程的警报处理程序以来经过了多少个ticks；你也需要在struct proc中为此添加一个新字段。你可以在proc.c中的allocproc()中初始化proc字段。

  • 每个tick，硬件时钟强制中断，这在kernel/trap.c中的usertrap()中处理。

  • 你只希望在有定时器中断时操作进程的警报ticks；你需要类似

    if(which_dev == 2) ...

  • 只有在进程有未完成的定时器时才调用警报函数。注意用户警报函数的地址可能是0（例如，在user/alarmtest.asm中，periodic位于地址0）。

  • 你需要修改usertrap()，以便当进程的警报间隔到期时，用户进程执行处理函数。当RISC-V上的陷阱返回到用户空间时，决定用户空间代码恢复执行的指令地址是什么？

  • 如果你告诉qemu只使用一个CPU，使用gdb查看陷阱会更容易，你可以通过运行

    make CPUS=1 qemu-gdb

  • 如果你成功了，alarmtest会打印"alarm!"。

test1/test2()/test3(): resume interrupted code

很有可能在打印出 "alarm!" 后，alarmtest 在 test0 或 test1 中崩溃，或者 alarmtest（最终）打印出 "test1 failed"，或者 alarmtest 退出而没有打印 "test1 passed"。要修复这个问题，你必须确保当报警处理程序完成后，控制权返回到用户程序最初被定时器中断打断的那条指令。你必须确保寄存器内容恢复到中断发生时的值，以便用户程序在报警后可以不受干扰地继续执行。最后，你应该在每次报警触发后“重新设置”报警计数器，以便处理程序可以定期被调用。

作为起点，我们为你做了一个设计决策：用户报警处理程序在完成后需要调用sigreturn系统调用。可以查看 alarmtest.c 中的 periodic 函数作为一个例子。这意味着你可以在usertrap和 sys_sigreturn 中添加代码，协同工作，使得用户进程在处理完报警后能够正确恢复。

一些提示：

  • 你的解决方案将需要保存和恢复寄存器——你需要保存和恢复哪些寄存器才能正确恢复被中断的代码？（提示：将会是很多）。
  • 当定时器触发时，让 usertrap 在 struct proc 中保存足够的状态，以便 sigreturn 能够正确返回到被中断的用户代码。
  • 防止处理程序的递归调用——如果一个处理程序还没有返回，内核不应该再次调用它。test2 测试这一点。
  • 确保恢复a0寄存器。sigreturn 是一个系统调用，其返回值存储在 a0中。

一旦你通过了 test0、test1、test2 和 test3，运行 usertests -q 以确保你没有破坏内核的其他部分。

step1

新增系统调用声明

user.h

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

usys.pl

...
entry("sigalarm");
entry("sigreturn");

syscall.h

...
#define SYS_sigalarm  22
#define SYS_sigreturn 23

syscall.c

...
extern uint64 sys_sigalarm(void);
extern uint64 sys_sigreturn(void);
...
[SYS_sigalarm]  sys_sigalarm,
[SYS_sigreturn]  sys_sigreturn,
}

step2

修改proc.h新增参数

//for test0 
void (*alarm_handler)(); 
int alarm_interval;
int alarm_ticks;
//for test1
struct trapframe alarm_context;
//for test2
int alarm_cnt;
//for test3
int alarm_a0;

step3

在内核中实现系统调用sigalarm 与sigreturn,实现在sysproc.c

uint64 
sys_sigalarm(void)
{
  int n;
  uint64 p;
  argint(0, &n);
  argaddr(1,&p);
  // for test0
  myproc()->alarm_handler = (void (*)())p;
  myproc()->alarm_interval = n;
  myproc()->alarm_ticks = 0;
  //for test2  
  myproc()->alarm_cnt = 0;
  return 0;
}

uint64 
sys_sigreturn(void)
{
  //for test1
  memmove(myproc()->trapframe, &myproc()->alarm_context, sizeof(struct trapframe));
  //for test2
  myproc()->alarm_cnt = 0;
  //for test3
  return myproc()->alarm_a0;
}

step4

在 trap.c中增加计时器中断回调

  if(which_dev == 2){
    if(myproc()->alarm_interval != 0) {
      myproc()->alarm_ticks++;
      if(myproc()->alarm_cnt==0 && myproc()->alarm_ticks >= myproc()->alarm_interval) {
        myproc()->alarm_ticks = 0;
        //for test0
        myproc()->trapframe->epc = (uint64)myproc()->alarm_handler;
        //for test1
        memmove(&myproc()->alarm_context, myproc()->trapframe, sizeof(struct trapframe));
        //for test3
        myproc()->alarm_a0 = myproc()->trapframe->a0;
        //for test2
        myproc()->alarm_cnt = 1;
      }
    }
    yield();
  }
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