Lab4 中断处理 Traps

这个实验探索使用 traps 来实现 system call。首先有一个热身训练，然后将要实现一个用户层级的 trap 处理示例

实验前置操作

git fetch
git checkout traps
make clean

RISC-V 汇编指令速记

数据传输 ld → load double word lw → load word sd → store double sw → store word

算术运算 add sub addi → add immediate li → load immediate mul → multiply div → divide

逻辑运算 and/or/xor andi/ori → and/or imm slt → set if less than slti → set if less than imm

程序控制 beq → branch if equal bne → branch if not equal blt/bge → branch if less/greater-equal jal → jump and link 跳转并链接（普通函数调用） jalr → jump and link register 寄存器跳转并链接（间接/动态调用） ret → return 返回（伪指令，jalr zero, 0(ra) 的简写）

32位立即数加载 lui → load upper imm 加载高位立即数 auipc → add upper imm to PC 程序计数器加载高位立即数

RISC-V assembly 汇编代码

easy

理解一些 RISC-V 汇编指令很重要，有一个 user/call.c 文件在 xv6 仓库中. make fs.img 可以编译并生成一个可阅读的程序 user/call.asm。 阅读 g, f, main 函数，回答下面的几个问题

1. 哪几个寄存器存储函数的参数？例如，哪个寄存器存了 printf 的参数 13
2. 函数 f 的汇编调用在 main 的哪里？函数g？（提示：编译器可能会把函数内联）
3. 函数 printf 的地址在哪
4. main 函数在 jalr 到 printf 之后 ra 的值是什么
5. 运行下面的代码：

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

输出是什么 输出依赖于 RISC-V 的小端存储，如果是大端存储，会发生什么 在下面的代码中，y= 后面会打印什么？（答案不是一个确定值）为什么会这样？ printf("x=%d y=%d", 3);

解答 1

call.c 的原始代码

#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);
}

main 函数的汇编代码

void main(void) {
  1c:	1141                	addi	sp,sp,-16 # 分配 16 字节空间
  1e:	e406                	sd	ra,8(sp) # 保存 main 的返回地址
  20:	e022                	sd	s0,0(sp)
  22:	0800                	addi	s0,sp,16
  printf("%d %d\n", f(8)+1, 13); # 编译器算出了 f(8) + 1 是 12
  24:	4635                	li	a2,13
  26:	45b1                	li	a1,12
  28:	00000517          	auipc	a0,0x0
  2c:	7b050513          	addi	a0,a0,1968 # 7d8 <malloc+0xea> # linker 计算的字符串存储位置
  30:	00000097          	auipc	ra,0x0
  34:	600080e7          	jalr	1536(ra) # 630 <printf>
  exit(0);
  38:	4501                	li	a0,0
  3a:	00000097          	auipc	ra,0x0
  3e:	27e080e7          	jalr	638(ra) # 2b8 <exit>

a0,a1,a2... 存储函数参数，13 存在了 a2

解答 2

f 和 g 的汇编调用都被内联了

解答 3

0x630

解答 4

0x38 也就是 li a0, 0 这条指令的地址

解答 5

57616 = 0xE110 0x00646c72 小端存储从低位到高位依次为 72-6c-64-00 = rld 大端存储则需要改为 0x726c6400

解答 6

原本需要传两个参数却只传了一个，y= 取决于 a2 保存的值

Backtrace 回溯

moderate 需要一个 debug 工作 backtrace：在错误发生点之上的栈上的一个函数调用列表

在 kernel/printf.c 实现一个 backtrace() 函数。在 sys_sleep 函数中插入一个 backtrace() ，运行 bttest，这会调用 sys_sleep。输出应该是： backtrace: 0x0000000080002cda 0x0000000080002bb6 0x0000000080002898 在 bttest 结束之后退出 qemu。运行 addr2line -e kernel/kernel 或者 riscv64-unknown-elf-addr2line -e kernel/kernel 然后复制粘贴刚才得到的地址 addr2line -e kernel/kernel 0x0000000080002de2 0x0000000080002f4a 0x0000000080002bfc Ctrl-D 应该会发现下面类似的情况 kernel/sysproc.c:74 kernel/syscall.c:224 kernel/trap.c:85

编译器在每个栈帧放了一个帧指针存储了调用者的帧信息。backtrace 将使用这些帧指针来向上打印栈帧的返回地址

提示：

• 在 kernel/defs.h 增加 backtrace 的原型函数这样就可以在 sys_sleep 里调用 backtrace
• GCC 编译器把当前正在执行的函数的帧指针存在寄存器 s0。将下面的函数添加到 kernel/riscv.h

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

调用这个函数来读取当前函数栈帧中的 s0 中的值（帧指针）

• xv6 在内核为每个栈分配一页”页对齐“地址。可以通过 PGROUNDUP(rp) 和 PGROUNDDOWN(rp) 来计算栈的底部和顶部地址（这可以帮助 backtrace 结束无限循环） 当 backtrace 能够运行了， 在 kernel/printf.c 的 panic 中调用，这样就能在内核 panic 的时候看到调用栈信息

实验过程

核心代码

void
backtrace(void)
{
  uint64 frame_pointer = r_fp();
  printf("backtrace:\n");
  while (PGROUNDDOWN(frame_pointer) != PGROUNDUP(frame_pointer)) {
    uint64 ra = *(uint64*)(frame_pointer - 8);
    printf("%p\n", ra);
    frame_pointer = *(uint64*)(frame_pointer - 16);
  }
}

Alarm

hard

在这个练习中将要为 xv6 加入一个功能，周期性警告表示一个线程在使用 CPU 时间。对于一些边界计算线程可能适用于它们想限制吃掉时间片的情况，或者是想周期性做一些动作的情况。更一般的说，你将要实现一个用户级别的中断/错误处理器原型。可以使用一些类似 缺页中断 的应用。如果解决方法正确的话会通过 alarmtest 和 usertests。

你应该增加一个新的 sigalarm(intervel, handler) 系统调用。如果一个应用调用 sigalarm(n, fn) ，然后每 n 个 ticks内核会让应用函数 fn 调用。

实验过程

该实验涉及了 时钟中断 机制

核心代码

void
usertrap(void)
{
	// ...
  // Handle timer interrupt
  if(which_dev == 2) {
    // Check if periodic alarm should fire
    if (p->alarm_interval > 0 && !p->alarm_in_progress) {
      p->alarm_ticks_remaining--;
  
      if (p->alarm_ticks_remaining <= 0) {
        // Reset counter for next alarm
        p->alarm_ticks_remaining = p->alarm_interval;
 
        // Save current user context before calling handler
        *p->alarm_saved_state = *p->trapframe;
 
        // Redirect execution to alarm handler
        p->trapframe->epc = (uint64)p->alarm_handler;
 
        // Mark that alarm handler is running
        p->alarm_in_progress = 1;
      }
    }
    yield();
  }
 
  usertrapret();
 
}