MIT 6.s081 Lab4 Trap

RISC-V assembly

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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);
}
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0000000000000000 <g>:
#include "kernel/param.h"
#include "kernel/types.h"
#include "kernel/stat.h"
#include "user/user.h"

int g(int x) {
   0:	1141                	addi	sp,sp,-16
   2:	e422                	sd	s0,8(sp)
   4:	0800                	addi	s0,sp,16
  return x+3;
}
   6:	250d                	addiw	a0,a0,3
   8:	6422                	ld	s0,8(sp)
   a:	0141                	addi	sp,sp,16
   c:	8082                	ret

000000000000000e <f>:

int f(int x) {
   e:	1141                	addi	sp,sp,-16
  10:	e422                	sd	s0,8(sp)
  12:	0800                	addi	s0,sp,16
  return g(x);
}
  14:	250d                	addiw	a0,a0,3
  16:	6422                	ld	s0,8(sp)
  18:	0141                	addi	sp,sp,16
  1a:	8082                	ret

000000000000001c <main>:

void main(void) {
  1c:	1141                	addi	sp,sp,-16
  1e:	e406                	sd	ra,8(sp)
  20:	e022                	sd	s0,0(sp)
  22:	0800                	addi	s0,sp,16
  printf("%d %d\n", f(8)+1, 13);
  24:	4635                	li	a2,13
  26:	45b1                	li	a1,12
  28:	00000517          	auipc	a0,0x0
  2c:	7a850513          	addi	a0,a0,1960 # 7d0 <malloc+0xe8>
  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:	28e080e7          	jalr	654(ra) # 2c8 <exit>

0000000000000042 <_main>:
//
// wrapper so that it's OK if main() does not call exit().
//
void
_main()
{
  42:	1141                	addi	sp,sp,-16
  44:	e406                	sd	ra,8(sp)
  46:	e022                	sd	s0,0(sp)
  48:	0800                	addi	s0,sp,16
  extern int main();
  main();
  4a:	00000097          	auipc	ra,0x0
  4e:	fd2080e7          	jalr	-46(ra) # 1c <main>
  exit(0);
  52:	4501                	li	a0,0
  54:	00000097          	auipc	ra,0x0
  58:	274080e7          	jalr	628(ra) # 2c8 <exit>

000000000000005c <strcpy>:
}

RISC-V trap machinery

  • stvec ：内核在这里写入它的trap处理程序的地址;RISC-V跳转到stvec中的地址来处理trap。
  • sepc：当一个trap发生时，RISC-V将程序计数器保存在这里(因为pc会被stvec中的值覆盖)。sret (return from trap)指令将sepc复制到pc上。内核可以编写sepc来控制sret的位置。
  • scause：RISC-V在这里放了一个数字来描述trap的原因。
  • sscratch： trap处理程序代码使用sscratch来避免在 保存用户寄存器之前覆盖用户寄存器。
  • sstatus：sstatus中的SIE位控制是否启用设备中断。如果内核清除了SIE, RISC-V将延迟设备中断，直到内核设置了SIE。SPP位表示trap来自用户模式还是管理模式，并控制sret返回哪种模式。

RISC-V中断发生过程：

  1. 如果设备中断，且sstatus SIE位为清零，则无需执行以下操作
  2. 通过清除sstatus中的SIE位来禁用中断。
  3. Copy the pc to sepc.
  4. 将当前模式(user或supervisor)保存在sstatus的SPP位中。
  5. 设置原因以反映陷阱的原因。
  6. Set the mode to supervisor
  7. Copy stvec to the pc.
  8. 在新的pc位置开始执行

User Trap

用户中断当用户调用了ecall指令时发生（或发生了非法操作或硬件中断）。

用户发生中断：
step1: uservec
step2: usertrap

当中断返回：
step1: usertrapret
step2: userret

1. 发生中断

TRAMPOLINE page在程序初始化时放置，位于user虚拟地址的顶部，同时TRAMPOLINE在内核页表也被映射。且没有 PTE_U标志。因此trap handler在切换到内核page后可以继续执行。

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为了保存用户状态，uservec会将用户寄存器状态保存在TRAPFRAME（一个结构体）。TRAPFRAME 在 TRAMPOLINE之下。

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struct trapframe {
  /*   0 */ uint64 kernel_satp;   // kernel page table
  /*   8 */ uint64 kernel_sp;     // top of process's kernel stack
  /*  16 */ uint64 kernel_trap;   // usertrap()
  /*  24 */ uint64 epc;           // saved user program counter
  /*  32 */ uint64 kernel_hartid; // saved kernel tp
  /*  40 */ uint64 ra;
  /*  48 */ uint64 sp;
  /*  56 */ uint64 gp;
  /*  64 */ uint64 tp;
  /*  72 */ uint64 t0;
  /*  80 */ uint64 t1;
  ......
};

TRAPFRAME中保存了内核page的信息和cpu信息，uservec从这里获取信息。然后执行usertrap。

usertrap的工作是确定trap的原因, 运行trap并返回。usertrap首先会保存sepc（用户程序计数器）。如果该trap是一个系统调用，则usertrap调用sycall来处理它;如果设备中断，devintr;否则它是一个异常，内核会终止发生故障的进程。

系统调用路径在保存的用户程序计数器上增加了4，因为RISC-V在系统调用的情况下，用户代码需要在后续指令处恢复执行（不能反复执行sys call）。在退出过程中，usertrap检查进程是否已经被杀死或应该产生CPU(如果这个trap是一个定时器中断)。

2. 中断返回

返回第一步是运行usertrapret。然后执行userret。这俩恢复了一些寄存器状态，返回用户空间。

initcode.S（如何调用sys call）

initcode.S将exec的参数放在寄存器a0和a1中，并将系统调用号放在a7中。系统调用号匹配syscalls数组中的条目，syscalls数组是一个函数指针(kernel/syscall.c:107)。调用指令被捕获到内核中，并导致uservec、usertrap和sycall执行。

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la a0, init
la a1, argv
li a7, SYS_exec
ecall

Syscall (kernel/ Syscall .c:132) 从trapframe中保存的a7中获取系统调用号，并使用它索引到系统调用中。对于第一个系统调用，a7包含SYS_exec (ker- nel/ sycall .h:8)，导致调用系统调用实现函数SYS_exec。

当sys_exec返回时，系统调用将返回值记录在p->trapframe->a0中。这将导致对exec()的原始用户空间调用返回该值，因为RISC-V上的Ccall约定将返回值放在a0中。

系统调用通常返回负数表示错误，返回零或正数表示成功。如果系统调用号无效，系统调用将打印错误并返回−1。

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