@ -30,8 +30,8 @@
- [实验内容 ](#lab1_challenge2_content )
- [实验内容 ](#lab1_challenge2_content )
- [实验指导 ](#lab1_challenge2_guide )
- [实验指导 ](#lab1_challenge2_guide )
< a name = "fundamental" > < / a > < a name = "fundamental" > < / a >
## 3.1 实验1的基础知识
## 3.1 实验1的基础知识
本章我们将首先[获得代码](#subsec_preparecode)，接下来介绍[程序的编译链接和ELF文件](#subsec_elfload)的基础知识， ，
本章我们将首先[获得代码](#subsec_preparecode)，接下来介绍[程序的编译链接和ELF文件](#subsec_elfload)的基础知识， ，
@ -607,53 +607,63 @@ $ riscv64-unknown-elf-objdump -D ./obj/riscv-pke | grep _mentry
28 call m_start
28 call m_start
```
```
它的执行将机器复位（ ） （ lab1_1中只考虑单个内核 ） （ ） ， （ ） ：
它的执行将机器复位（ ） （ PKE的基础实验中只考虑单个处理器的情况 ） （ ） ， （ ） ：
```c
```c
68 void m_start(uintptr_t hartid, uintptr_t dtb) {
77 void m_start(uintptr_t hartid, uintptr_t dtb) {
69 // init the spike file interface (stdin,stdout,stderr)
78 // init the spike file interface (stdin,stdout,stderr)
70 spike_file_init();
79 // functions with "spike_" prefix are all defined in codes under spike_interface/,
71 sprint("In m_start, hartid:%d\n", hartid);
80 // sprint is also defined in spike_interface/spike_utils.c
72
81 spike_file_init();
73 // init HTIF (Host-Target InterFace) and memory by using the Device Table Blob (DTB)
82 sprint("In m_start, hartid:%d\n", hartid);
74 init_dtb(dtb);
83
75
84 // init HTIF (Host-Target InterFace) and memory by using the Device Table Blob (DTB)
76 // set previous privilege mode to S (Supervisor), and will enter S mode after 'mret'
85 // init_dtb() is defined above.
77 write_csr(mstatus, ((read_csr(mstatus) & ~MSTATUS_MPP_MASK) | MSTATUS_MPP_S));
86 init_dtb(dtb);
78
87
79 // set M Exception Program Counter to sstart, for mret (requires gcc -mcmodel=medany)
88 // set previous privilege mode to S (Supervisor), and will enter S mode after 'mret'
80 write_csr(mepc, (uint64)s_start);
89 // write_csr is a macro defined in kernel/riscv.h
81
90 write_csr(mstatus, ((read_csr(mstatus) & ~MSTATUS_MPP_MASK) | MSTATUS_MPP_S));
82 // delegate all interrupts and exceptions to supervisor mode.
91
83 delegate_traps();
92 // set M Exception Program Counter to sstart, for mret (requires gcc -mcmodel=medany)
84
93 write_csr(mepc, (uint64)s_start);
85 // switch to supervisor mode and jump to s_start(), i.e., set pc to mepc
94
86 asm volatile("mret");
95 // delegate all interrupts and exceptions to supervisor mode.
87 }
96 // delegate_traps() is defined above.
97 delegate_traps();
98
99 // switch to supervisor mode (S mode) and jump to s_start(), i.e., set pc to mepc
100 asm volatile("mret");
101 }
```
```
它的作用是首先初始化spike的客户机-主机接口（ ， ） ， （ ） ； （ ， ） （ ） ， （ ） ； ， （ ） ； ， （ ） ， ，
它的作用是首先初始化spike的客户机-主机接口（ ， ） ， （ 81-86 行） ； （ ， ） （ ） ， （ 90--93行） ； ， （ ） ； ， （ ） ， 行的返回动作将“返回”S态，
s_start函数在kernel/kernel.c文件中定义：
s_start函数在kernel/kernel.c文件中定义：
```c
```c
30 int s_start(void) {
34 int s_start(void) {
31 sprint("Enter supervisor mode...\n");
35 sprint("Enter supervisor mode...\n");
32 // Note: we use direct (i.e., Bare mode) for memory mapping in lab1.
36 // Note: we use direct (i.e., Bare mode) for memory mapping in lab1.
33 // which means: Virtual Address = Physical Address
37 // which means: Virtual Address = Physical Address
34 write_csr(satp, 0);
38 // therefore, we need to set satp to be 0 for now. we will enable paging in lab2_x.
35
39 //
36 // the application code (elf) is first loaded into memory, and then put into execution
40 // write_csr is a macro defined in kernel/riscv.h
37 load_user_program(&user_app);
41 write_csr(satp, 0);
38
42
39 sprint("Switch to user mode...\n");
43 // the application code (elf) is first loaded into memory, and then put into execution
40 switch_to(&user_app);
44 load_user_program(&user_app);
41
45
42 return 0;
46 sprint("Switch to user mode...\n");
43 }
47 // switch_to() is defined in kernel/process.c
48 switch_to(&user_app);
49
50 // we should never reach here.
51 return 0;
52 }
```
```
该函数的动作也非常简单： （ ） （ ） ， （ ） ） ， （ ） ，
该函数的动作也非常简单： （ 1 行） （ ） ， （ 44 行） ） ， （ ） ，
以上过程中， （ ） （ ） ， ， ， （ ） ：
以上过程中， （ ） （ ） ， ， ， （ ） ：
@ -691,49 +701,54 @@ s_start函数在kernel/kernel.c文件中定义：
29 assert(proc);
29 assert(proc);
30 current = proc;
30 current = proc;
31
31
32 write_csr(stvec, (uint64)smode_trap_vector);
32 // write the smode_trap_vector (64-bit func. address) defined in kernel/strap_vector.S
33 // set up trapframe values that smode_trap_vector will need when
33 // to the stvec privilege register, such that trap handler pointed by smode_trap_vector
34 // the process next re-enters the kernel .
34 // will be triggered when an interrupt occurs in S mode .
35 proc->trapframe->kernel_sp = proc->kstack; // process's kernel stack
35 write_csr(stvec, (uint64)smode_trap_vector);
36 proc->trapframe->kernel_trap = (uint64)smode_trap_handler;
36
37
37 // set up trapframe values (in process structure) that smode_trap_vector will need when
38 // set up the registers that strap_vector.S's sret will use
38 // the process next re-enters the kernel.
39 // to get to user space.
39 proc->trapframe->kernel_sp = proc->kstack; // process's kernel stack
40
40 proc->trapframe->kernel_trap = (uint64)smode_trap_handler;
41 // set S Previous Privilege mode to User.
41
42 unsigned long x = read_csr(sstatus);
42 // SSTATUS_SPP and SSTATUS_SPIE are defined in kernel/riscv.h
43 x & = ~SSTATUS_SPP; // clear SPP to 0 for user mode
43 // set S Previous Privilege mode (the SSTATUS_SPP bit in sstatus register) to User mode.
44 x |= SSTATUS_SPIE; // enable interrupts in user mode
44 unsigned long x = read_csr(sstatus);
45
45 x & = ~SSTATUS_SPP; // clear SPP to 0 for user mode
46 write_csr(sstatus, x);
46 x |= SSTATUS_SPIE; // enable interrupts in user mode
47
47
48 // set S Exception Program Counter to the saved user pc .
48 // write x back to 'sstatus' register to enable interrupts, and sret destination mode .
49 write_csr(sepc, proc->trapframe->epc );
49 write_csr(sstatus, x );
50
50
51 // switch to user mode with sret.
51 // set S Exception Program Counter (sepc register) to the elf entry pc.
52 return_to_user(proc->trapframe);
52 write_csr(sepc, proc->trapframe->epc);
53 }
53
54 // return_to_user() is defined in kernel/strap_vector.S. switch to user mode with sret.
55 return_to_user(proc->trapframe);
56 }
```
```
可以看到， ， （ ） ：
可以看到， ， （ ） ：
```assembly
```assembly
45 .globl return_to_user
49 .globl return_to_user
46 return_to_user:
50 return_to_user:
47 # save a0 in sscratch, so sscratch points to a trapframe now.
51 # [sscratch]=[a0], save a0 in sscratch, so sscratch points to a trapframe now.
48 csrw sscratch, a0
52 csrw sscratch, a0
49
53
50 # let [t6]=[a0]
54 # let [t6]=[a0]
51 addi t6, a0, 0
55 addi t6, a0, 0
52
56
53 # restore all registers from trapframe, so as to resort the execution of a process
57 # restore_all_registers is a assembly macro defined in util/load_store.S.
54 restore_all_registers
58 # the macro restores all registers from trapframe started from [t6] to all general
55
59 # purpose registers, so as to resort the execution of a process.
56 # return to user mode and user pc.
60 restore_all_registers
57 sret
61
62 # return to user mode and user pc.
63 sret
```
```
其作用是恢复进程的上下文（54 行） ， ， （ ） ， （ ）
其作用是恢复进程的上下文（60 行） ， ， （ ） ， （ ）
@ -744,60 +759,65 @@ s_start函数在kernel/kernel.c文件中定义：
这里我们对load_user_program()函数进行讨论， ：
这里我们对load_user_program()函数进行讨论， ：
```c
```c
18 void load_user_program(process *proc) {
19 void load_user_program(process *proc) {
19 proc->trapframe = (trapframe *)USER_TRAP_FRAME;
20 // USER_TRAP_FRAME is a physical address defined in kernel/config.h
20 memset(proc->trapframe, 0, sizeof(trapframe));
21 proc->trapframe = (trapframe *)USER_TRAP_FRAME;
21 proc->kstack = USER_KSTACK;
22 memset(proc->trapframe, 0, sizeof(trapframe));
22 proc->trapframe->regs.sp = USER_STACK;
23 // USER_KSTACK is also a physical address defined in kernel/config.h
23
24 proc->kstack = USER_KSTACK;
24 load_bincode_from_host_elf(proc);
25 proc->trapframe->regs.sp = USER_STACK;
25 }
26
27 // load_bincode_from_host_elf() is defined in kernel/elf.c
28 load_bincode_from_host_elf(proc);
29 }
```
```
我们看到， ， ：
我们看到， ， ：
```c
```c
103 void load_bincode_from_host_elf(struct process *p) {
107 void load_bincode_from_host_elf(process *p) {
104 arg_buf arg_bug_msg;
108 arg_buf arg_bug_msg;
105
106 // retrieve command line arguements
107 size_t argc = parse_args(&arg_bug_msg);
108 if (!argc) panic("You need to specify the application program!\n");
109
109
110 sprint("Application: %s\n", arg_bug_msg.argv[0]);
110 // retrieve command line arguements
111
111 size_t argc = parse_args(&arg_bug_msg);
112 //elf loading
112 if (!argc) panic("You need to specify the application program!\n");
113 elf_ctx elfloader;
113
114 elf_info info ;
114 sprint("Application: %s\n", arg_bug_msg.argv[0]) ;
115
115
116 info.f = spike_file_open(arg_bug_msg.argv[0], O_RDONLY, 0);
116 //elf loading. elf_ctx is defined in kernel/elf.h, used to track the loading process.
117 info.p = p ;
117 elf_ctx elfloader ;
118 if (IS_ERR_VALUE(info.f)) panic("Fail on openning the input application program.\n");
118 // elf_info is defined above, used to tie the elf file and its corresponding process.
119
119 elf_info info;
120 // init elfloader
120
121 if (elf_init(& elfloader, & info) != EL_OK)
121 info.f = spike_file_open(arg_bug_msg.argv[0], O_RDONLY, 0);
122 panic("fail to init elfloader.\n") ;
122 info.p = p ;
123
123 // IS_ERR_VALUE is a macro defined in spike_interface/spike_htif.h
124 // load elf
124 if (IS_ERR_VALUE(info.f)) panic("Fail on openning the input application program.\n");
125 if (elf_load(& elfloader) != EL_OK) panic("Fail on loading elf.\n");
125
126
126 // init elfloader context. elf_init() is defined above.
127 // entry (virtual) address
127 if (elf_init(& elfloader, & info) != EL_OK)
128 p->trapframe->epc = elfloader.ehdr.entry ;
128 panic("fail to init elfloader.\n") ;
129
129
130 // close host file
130 // load elf. elf_load() is defined above.
131 spike_file_close( info.f );
131 if (elf_load(& elfloader) != EL_OK) panic("Fail on loading elf.\n" );
132
132
133 sprint("Application program entry point (virtual address): 0x%lx\n", p->trapframe->epc);
133 // entry (virtual, also physical in lab1_x) address
134 }
134 p->trapframe->epc = elfloader.ehdr.entry;
135
136 // close the host spike file
137 spike_file_close( info.f );
138
139 sprint("Application program entry point (virtual address): 0x%lx\n", p->trapframe->epc);
140 }
```
```
该函数的大致过程是：
该函数的大致过程是：
- （ ） ， ， ；
- （ 8--114 行） ， ， ；
- （ ） ， ；
- （ 7--128行） ， 初始化ELF加载数据结构， ；
- （ 25 行） ；
- （ 31 行） ；
- （ 28 行） ， ， ；
- （ 34 行） ， ， ；
- （ 1--133 行）
- （ 7--139 行）
该函数用到了同文件中的诸多工具函数，这些函数的细节请读者自行阅读相关代码，这里我们只贴我们认为重要的代码：
该函数用到了同文件中的诸多工具函数，这些函数的细节请读者自行阅读相关代码，这里我们只贴我们认为重要的代码：
@ -806,28 +826,30 @@ s_start函数在kernel/kernel.c文件中定义：
- elf_load： （ ） ：
- elf_load： （ ） ：
```c
```c
51 elf_status elf_load(elf_ctx *ctx) {
53 elf_status elf_load(elf_ctx *ctx) {
52 elf_prog_header ph_addr;
54 // elf_prog_header structure is defined in kernel/elf.h
53 int i, off;
55 elf_prog_header ph_addr;
54 // traverse the elf program segment headers
56 int i, off;
55 for (i = 0, off = ctx->ehdr.phoff; i < ctx- > ehdr.phnum; i++, off += sizeof(ph_addr)) {
57
56 // read segment headers
58 // traverse the elf program segment headers
57 if (elf_fpread(ctx, (void *)& ph_addr, sizeof(ph_addr), off) != sizeof(ph_addr)) return EL_EIO;
59 for (i = 0, off = ctx->ehdr.phoff; i < ctx- > ehdr.phnum; i++, off += sizeof(ph_addr)) {
58
60 // read segment headers
59 if (ph_addr.type != ELF_PROG_LOAD) continue;
61 if (elf_fpread(ctx, (void *)& ph_addr, sizeof(ph_addr), off) != sizeof(ph_addr)) return EL _EIO;
60 if (ph_addr.memsz < ph_addr.filesz ) return EL_ERR ;
61 if (ph_addr.vaddr + ph_addr.memsz < ph_addr.vaddr ) return EL_ERR ;
62
62
63 // allocate memory before loading
63 if (ph_addr.type != ELF_PROG_LOAD) continue;
64 void *dest = elf_alloc_mb(ctx, ph_addr.vaddr, ph_addr.vaddr, ph_addr.memsz);
64 if (ph_addr.memsz < ph_addr.filesz ) return EL_ERR ;
65
65 if (ph_addr.vaddr + ph_addr.memsz < ph_addr.vaddr ) return EL_ERR ;
66 // actual loading
66
67 if (elf_fpread(ctx, dest, ph_addr.memsz, ph_addr.off) != ph_addr.memsz)
67 // allocate memory block before elf loading
68 return EL_EIO;
68 void *dest = elf_alloc_mb(ctx, ph_addr.vaddr, ph_addr.vaddr, ph_addr.memsz);
69 }
69
70
70 // actual loading
71 return EL_OK;
71 if (elf_fpread(ctx, dest, ph_addr.memsz, ph_addr.off) != ph_addr.memsz)
72 }
72 return EL_EIO;
73 }
74
75 return EL_OK;
76 }
```
```
这个函数里， ， （ ， ： ） ， ，
这个函数里， ， （ ， ： ） ， ，
@ -957,7 +979,7 @@ lab1_1实验需要读者了解和掌握操作系统中系统调用机制的实
27 }
27 }
```
```
我们发现， ， ， （ ） （ ） ， （ ） （ ） ：
我们发现， ， ， （ ） ， （ ） ， （ ） （ ） ：
```assembly
```assembly
16 .globl smode_trap_vector
16 .globl smode_trap_vector
@ -968,29 +990,33 @@ lab1_1实验需要读者了解和掌握操作系统中系统调用机制的实
21
21
22 # save the context (user registers) of current process in its trapframe.
22 # save the context (user registers) of current process in its trapframe.
23 addi t6, a0 , 0
23 addi t6, a0 , 0
24 store_all_registers
24
25
25 # store_all_registers is a macro defined in util/load_store.S, it stores contents
26 # come back to save a0 register before entering trap handling in trapframe
26 # of all general purpose registers into a piece of memory started from [t6].
27 csrr t0, sscratch
27 store_all_registers
28 sd t0, 72(a0)
28
29
29 # come back to save a0 register before entering trap handling in trapframe
30 # use the "user kernel" stack (whose pointer stored in p->trapframe->kernel_sp)
30 # [t0]=[sscratch]
31 ld sp, 248(a0)
31 csrr t0, sscratch
32
32 sd t0, 72(a0)
33 # load the address of smode_trap_handler() from p->trapframe->kernel_trap
33
34 ld t0, 256(a0)
34 # use the "user kernel" stack (whose pointer stored in p->trapframe->kernel_sp)
35
35 ld sp, 248(a0)
36 # jump to smode_trap_handler() that is defined in kernel/trap.c
36
37 jr t0
37 # load the address of smode_trap_handler() from p->trapframe->kernel_trap
38 ld t0, 256(a0)
39
40 # jump to smode_trap_handler() that is defined in kernel/trap.c
41 jr t0
```
```
从以上代码我们可以看到， （ ） （ ） ； （ ） ， （ ） ，
从以上代码我们可以看到， （ ） （ 7行） ； （ 行） ， （ 5 行），**该过程实际上完成了栈的切换**。完整的切换过程为：
- 1） ， （ ） ，
- 1） ， （ ） ，
- 2） ， ， ；
- 2） ， ， ；
- 3） 1 行时，将栈切换到用户进程“自带”的“用户内核栈“，也就是`kernel/process.c`文件中`switch_to`函数的第35 行所引用的`proc->kstack`， ， ？
- 3） 5 行时，将栈切换到用户进程“自带”的“用户内核栈“，也就是`kernel/process.c`文件中`switch_to`函数的第39 行所引用的`proc->kstack`， ， ？
后续的执行将使用应用进程所附带的内核栈来保存执行的上下文， ； ， （ 4行） ， （ 行）
后续的执行将使用应用进程所附带的内核栈来保存执行的上下文， ； ， （ 8行） ， （ 行）
smode_trap_handler()函数的定义在kernel/strap.c文件中， ：
smode_trap_handler()函数的定义在kernel/strap.c文件中， ：
@ -1004,21 +1030,22 @@ smode_trap_handler()函数的定义在kernel/strap.c文件中，
39 // save user process counter.
39 // save user process counter.
40 current->trapframe->epc = read_csr(sepc);
40 current->trapframe->epc = read_csr(sepc);
41
41
42 // if the cause of trap is syscall from user application
42 // if the cause of trap is syscall from user application.
43 if (read_csr(scause) == CAUSE_USER_ECALL) {
43 // read_csr() and CAUSE_USER_ECALL are macros defined in kernel/riscv.h
44 handle_syscall(current->trapframe);
44 if (read_csr(scause) == CAUSE_USER_ECALL) {
45 } else {
45 handle_syscall(current->trapframe);
46 sprint("smode_trap_handler(): unexpected scause %p\n", read_csr(scause));
46 } else {
47 sprint(" sepc=%p stval=%p\n", read_csr(sepc), read_csr(stval));
47 sprint("smode_trap_handler(): unexpected scause %p\n", read_csr(scause));
48 panic( "unexpected exception happened.\n" );
48 sprint(" sepc=%p stval=%p\n", read_csr(sepc), read_csr(stval));
49 }
49 panic( "unexpected exception happened.\n" );
50
50 }
51 // continue the execution of current process.
51
52 switch_to(current);
52 // continue (come back to) the execution of current process.
53 }
53 switch_to(current);
54 }
```
```
该函数首先在第36行， （ ） ， （ ） ； ， ； （ 3--49 行的if...else...语句） ， （ ） ， （ ， ） ， ； ， 2 行调用switch_to()函数返回当前进程。
该函数首先在第36行， （ ） ， （ ） ； ， ； （ 4--50 行的if...else...语句） ， （ ） ， （ ， ） ， ； ， 3 行调用switch_to()函数返回当前进程。
handle_syscall()函数的定义也在kernel/strap.c文件中：
handle_syscall()函数的定义也在kernel/strap.c文件中：
@ -1179,63 +1206,73 @@ lab1_2实验需要读者了解和掌握操作系统中异常（ ）
通过[3.1.5](#subsec_booting)节的阅读， ， ？ ， ， ：
通过[3.1.5](#subsec_booting)节的阅读， ， ？ ， ， ：
```c
```c
51 static void delegate_traps() {
55 static void delegate_traps() {
52 if (!supports_extension('S')) {
56 // supports_extension macro is defined in kernel/riscv.h
53 // confirm that our processor supports supervisor mode. abort if not.
57 if (!supports_extension('S')) {
54 sprint("s mode is not supported.\n");
58 // confirm that our processor supports supervisor mode. abort if it does not.
55 return;
59 sprint("S mode is not supported.\n");
56 }
60 return;
57
61 }
58 uintptr_t interrupts = MIP_SSIP | MIP_STIP | MIP_SEIP;
59 uintptr_t exceptions = (1U < < CAUSE_MISALIGNED_FETCH ) | ( 1U < < CAUSE_FETCH_PAGE_FAULT ) |
60 (1U < < CAUSE_BREAKPOINT ) | ( 1U < < CAUSE_LOAD_PAGE_FAULT ) |
61 (1U < < CAUSE_STORE_PAGE_FAULT ) | ( 1U < < CAUSE_USER_ECALL ) ;
62
62
63 write_csr(mideleg, interrupts);
63 // macros used in following two statements are defined in kernel/riscv.h
64 write_csr(medeleg, exceptions);
64 uintptr_t interrupts = MIP_SSIP | MIP_STIP | MIP_SEIP;
65 assert(read_csr(mideleg) == interrupts);
65 uintptr_t exceptions = (1U < < CAUSE_MISALIGNED_FETCH ) | ( 1U < < CAUSE_FETCH_PAGE_FAULT ) |
66 assert(read_csr(medeleg) == exceptions);
66 (1U < < CAUSE_BREAKPOINT ) | ( 1U < < CAUSE_LOAD_PAGE_FAULT ) |
67 }
67 (1U < < CAUSE_STORE_PAGE_FAULT ) | ( 1U < < CAUSE_USER_ECALL ) ;
68
69 // writes 64-bit values (interrupts and exceptions) to 'mideleg' and 'medeleg' (two
70 // priviledged registers of RV64G machine) respectively.
71 //
72 // write_csr and read_csr are macros defined in kernel/riscv.h
73 write_csr(mideleg, interrupts);
74 write_csr(medeleg, exceptions);
75 assert(read_csr(mideleg) == interrupts);
76 assert(read_csr(medeleg) == exceptions);
77 }
```
```
在第58--61行的代码中， ， ， （ ， ， ） ！ ， ， （ （ ） ） ：
在第64--67 行的代码中， ， ， （ ， ， ） ！ ， ， （ （ 04 行`write_csr(mtvec, (uint64)mtrapvec);`） ） ：
```assembly
```assembly
8 mtrapvec:
8 mtrapvec:
9 # swap a0 and mscratch
9 # mscratch -> g_itrframe (cf. kernel/machine/minit.c line 94)
10 # so that a0 points to interrupt frame
10 # swap a0 and mscratch, s o that a0 points to interrupt frame,
11 csrrw a0, mscratch, a0
11 # i.e., [a0] = & g_itrframe
12
12 csrrw a0, mscratch, a0
13 # save the registers in interrupt frame
13
14 addi t6, a0, 0
14 # save the registers in g_itrframe
15 store_all_registers
15 addi t6, a0, 0
16 # save the user a0 in itrframe->a0
16 store_all_registers
17 csrr t0, mscratch
17 # save the original content of a0 in g_itrframe
18 sd t0, 72(a0)
18 csrr t0, mscratch
19
19 sd t0, 72(a0)
20 # use stack0 for sp
20
21 la sp, stack0
21 # switch stack (to use stack0) for the rest of machine mode
22 li a3, 4096
22 # trap handling.
23 csrr a4, mhartid
23 la sp, stack0
24 addi a4, a4, 1
24 li a3, 4096
25 mul a3, a3, a4
25 csrr a4, mhartid
26 add sp, sp, a3
26 addi a4, a4, 1
27
27 mul a3, a3, a4
28 // save the address of interrupt frame in the csr "mscratch"
28 add sp, sp, a3
29 csrw mscratch, a0
29
30
30 # pointing mscratch back to g_itrframe
31 call handle_mtrap
31 csrw mscratch, a0
32
32
33 // restore all registers
33 # call machine mode trap handling function
34 csrr t6, mscratch
34 call handle_mtrap
35 restore_all_registers
35
36
36 # restore all registers, come back to the status before entering
37 mret
37 # machine mode handling.
38 csrr t6, mscratch
39 restore_all_registers
40
41 mret
```
```
可以看到， ， （ ， ） ， （ ） ， （ ） ， ，
可以看到， ， （ 31行` riscv_regs g_itrframe;`， ） ， （ 5 行） ， （ 6 行的store_all_registers完成） ， ， 8-19 行是保护进入中断处理前a0寄存器的值到g_itrframe。
接下来， 1--26行切换栈到stack0（ ） ， 行调用handle_mtrap()函数。handle_mtrap()函数在kernel/machine/mtrap.c文件中定义：
接下来， 3--28行切换栈到stack0（ ） ， 行调用handle_mtrap()函数。handle_mtrap()函数在kernel/machine/mtrap.c文件中定义：
```c
```c
20 void handle_mtrap() {
20 void handle_mtrap() {
@ -1281,6 +1318,8 @@ lab1_2实验需要读者了解和掌握操作系统中异常（ ）
$ git commit -a -m "my work on lab1_2 is done."
$ git commit -a -m "my work on lab1_2 is done."
```
```
< a name = "irq" > < / a > < a name = "irq" > < / a >
## 3.4 lab1_3 （外部）中断
## 3.4 lab1_3 （外部）中断
@ -1411,154 +1450,163 @@ System is shutting down with exit code 0.
- 在m_start函数（ ） ， ：
- 在m_start函数（ ） ， ：
```c
```c
7 2 void timerinit(uintptr_t hartid) {
8 2 void timerinit(uintptr_t hartid) {
7 3 // fire timer irq after TIMER_INTERVAL from now.
8 3 // fire timer irq after TIMER_INTERVAL from now.
7 4 *(uint64* )CLINT_MTIMECMP(hartid) = *(uint64* )CLINT_MTIME + TIMER_INTERVAL;
8 4 *(uint64* )CLINT_MTIMECMP(hartid) = *(uint64* )CLINT_MTIME + TIMER_INTERVAL;
7 5
8 5
7 6 // enable machine-mode timer irq in MIE (Machine Interrupt Enable) csr.
8 6 // enable machine-mode timer irq in MIE (Machine Interrupt Enable) csr.
7 7 write_csr(mie, read_csr(mie) | MIE_MTIE);
8 7 write_csr(mie, read_csr(mie) | MIE_MTIE);
7 8 }
8 8 }
```
```
该函数首先在7 4行设置了下一次timer触发的时间， （ ， ） ， 7 7行设置了MIE（ ， ） ， （ ）
该函数首先在8 4行设置了下一次timer触发的时间， （ ， ） ， 8 7行设置了MIE（ ， ） ， （ ）
时钟中断触发后， ：
时钟中断触发后， ：
```assembly
```assembly
8 mtrapvec:
8 mtrapvec:
9 # swap a0 and mscratch
9 # mscratch -> g_itrframe (cf. kernel/machine/minit.c line 94)
10 # so that a0 points to interrupt frame
10 # swap a0 and mscratch, s o that a0 points to interrupt frame,
11 csrrw a0, mscratch, a0
11 # i.e., [a0] = & g_itrframe
12
12 csrrw a0, mscratch, a0
13 # save the registers in interrupt frame
13
14 addi t6, a0, 0
14 # save the registers in g_itrframe
15 store_all_registers
15 addi t6, a0, 0
16 # save the user a0 in itrframe->a0
16 store_all_registers
17 csrr t0, mscratch
17 # save the original content of a0 in g_itrframe
18 sd t0, 72(a0)
18 csrr t0, mscratch
19
19 sd t0, 72(a0)
20 # use stack0 for sp
20
21 la sp, stack0
21 # switch stack (to use stack0) for the rest of machine mode
22 li a3, 4096
22 # trap handling.
23 csrr a4, mhartid
23 la sp, stack0
24 addi a4, a4, 1
24 li a3, 4096
25 mul a3, a3, a4
25 csrr a4, mhartid
26 add sp, sp, a3
26 addi a4, a4, 1
27
27 mul a3, a3, a4
28 // save the address of interrupt frame in the csr "mscratch"
28 add sp, sp, a3
29 csrw mscratch, a0
29
30
30 # pointing mscratch back to g_itrframe
31 call handle_mtrap
31 csrw mscratch, a0
32
32
33 // restore all registers
33 # call machine mode trap handling function
34 csrr t6, mscratch
34 call handle_mtrap
35 restore_all_registers
35
36
36 # restore all registers, come back to the status before entering
37 mret
37 # machine mode handling.
38 csrr t6, mscratch
39 restore_all_registers
40
41 mret
```
```
和lab1_2一样， ， （ ） ，
和lab1_2一样， ， （ ） ，
```c
```c
17 static void handle_timer() {
18 static void handle_timer() {
18 int cpuid = 0;
19 int cpuid = 0;
19 // setup the timer fired at next time (TIMER_INTERVAL from now)
20 // setup the timer fired at next time (TIMER_INTERVAL from now)
20 *(uint64* )CLINT_MTIMECMP(cpuid) = *(uint64* )CLINT_MTIMECMP(cpuid) + TIMER_INTERVAL;
21 *(uint64* )CLINT_MTIMECMP(cpuid) = *(uint64* )CLINT_MTIMECMP(cpuid) + TIMER_INTERVAL;
21
22
22 // setup a soft interrupt in sip (S-mode Interrupt Pending) to be handled in S-mode
23 // setup a soft interrupt in sip (S-mode Interrupt Pending) to be handled in S-mode
23 write_csr(sip, SIP_SSIP);
24 write_csr(sip, SIP_SSIP);
24 }
25 }
25
26
26 //
27 //
27 // handle_mtrap calls cooresponding functions to handle an exception of a given type .
28 // handle_mtrap calls a handling function according to the type of a machine mode interrupt ( trap) .
28 //
29 //
29 void handle_mtrap() {
30 void handle_mtrap() {
30 uint64 mcause = read_csr(mcause);
31 uint64 mcause = read_csr(mcause);
31 switch (mcause) {
32 switch (mcause) {
32 case CAUSE_MTIMER:
33 case CAUSE_MTIMER:
33 handle_timer();
34 handle_timer();
34 break;
35 break;
35 case CAUSE_FETCH_ACCESS:
36 case CAUSE_FETCH_ACCESS:
36 handle_instruction_access_fault();
37 handle_instruction_access_fault();
37 break;
38 break;
38 case CAUSE_LOAD_ACCESS:
39 case CAUSE_LOAD_ACCESS:
39 handle_load_access_fault();
40 handle_load_access_fault();
40 case CAUSE_STORE_ACCESS:
41 case CAUSE_STORE_ACCESS:
41 handle_store_access_fault();
42 handle_store_access_fault();
42 break;
43 break;
43 case CAUSE_ILLEGAL_INSTRUCTION:
44 case CAUSE_ILLEGAL_INSTRUCTION:
44 // TODO (lab1_2): call handle_illegal_instruction to implement illegal instruction
45 // TODO (lab1_2): call handle_illegal_instruction to implement illegal instruction
45 // interception, and finish lab1_2.
46 // interception, and finish lab1_2.
46 panic( "call handle_illegal_instruction to accomplish illegal instruction interception for lab1_2.\n" );
47 panic( "call handle_illegal_instruction to accomplish illegal instruction interception for lab1_2.\n" );
47
48
48 break;
49 break;
49 case CAUSE_MISALIGNED_LOAD:
50 case CAUSE_MISALIGNED_LOAD:
50 handle_misaligned_load();
51 handle_misaligned_load();
51 break;
52 break;
52 case CAUSE_MISALIGNED_STORE:
53 case CAUSE_MISALIGNED_STORE:
53 handle_misaligned_store();
54 handle_misaligned_store();
54 break;
55 break;
55
56
56 default:
57 default:
57 sprint("machine trap(): unexpected mscause %p\n", mcause);
58 sprint("machine trap(): unexpected mscause %p\n", mcause);
58 sprint(" mepc=%p mtval=%p\n", read_csr(mepc), read_csr(mtval));
59 sprint(" mepc=%p mtval=%p\n", read_csr(mepc), read_csr(mtval));
59 panic( "unexpected exception happened in M-mode.\n" );
60 panic( "unexpected exception happened in M-mode.\n" );
60 break;
61 break;
61 }
62 }
62 }
63 }
```
```
而handle_timer()函数会（ 0行） （ ） ， 行对SIP（ ， ） ， ， ， ， ， （ ）
而handle_timer()函数会（ 1行） （ ） ， 行对SIP（ ， ） ， ， ， ， ， （ ）
那么为什么操作系统内核不在M态就完成对时钟中断的处理， ？ ， ， ， （ ） ， （ ） ， ， ， ， ，
那么为什么操作系统内核不在M态就完成对时钟中断的处理， ？ ， ， ， （ ） ， （ ） ， ， ， ， ，
接下来， ， ：
接下来， ， ：
```c
```c
45 void smode_trap_handler(void) {
48 void smode_trap_handler(void) {
46 // make sure we are in User mode before entering the trap handling.
49 // make sure we are in User mode before entering the trap handling.
47 // we will consider other previous case in lab1_3 (interrupt).
50 // we will consider other previous case in lab1_3 (interrupt).
48 if ((read_csr(sstatus) & SSTATUS_SPP) != 0) panic("usertrap: not from user mode");
51 if ((read_csr(sstatus) & SSTATUS_SPP) != 0) panic("usertrap: not from user mode");
49
52
50 assert(current);
53 assert(current);
51 // save user process counter.
54 // save user process counter.
52 current->trapframe->epc = read_csr(sepc);
55 current->trapframe->epc = read_csr(sepc);
53
54 // if the cause of trap is syscall from user application
55 uint64 cause = read_csr(scause);
56
56
57 if (cause == CAUSE_USER_ECALL) {
57 // if the cause of trap is syscall from user application.
58 handle_syscall(current->trapframe);
58 // read_csr() and CAUSE_USER_ECALL are macros defined in kernel/riscv.h
59 } else if (cause == CAUSE_MTIMER_S_TRAP) { //soft trap generated by timer interrupt in M mode
59 uint64 cause = read_csr(scause);
60 handle_mtimer_trap();
60
61 } else {
61 // we need to handle the timer trap @lab1_3 .
62 sprint("smode_trap_handler(): unexpected scause %p\n", read_csr(scause));
62 if (cause == CAUSE_USER_ECALL) {
63 sprint(" sepc=%p stval=%p\n", read_csr(sepc), read_csr(stval));
63 handle_syscall(current->trapframe);
64 panic( "unexpected exception happened.\n" );
64 } else if (cause == CAUSE_MTIMER_S_TRAP) { //soft trap generated by timer interrupt in M m ode
65 }
65 handle_mtimer_trap();
66
66 } else {
67 // continue the execution of current process.
67 sprint("smode_trap_handler(): unexpected scause %p\n", read_csr(scause));
68 switch_to(current);
68 sprint(" sepc=%p stval=%p\n", read_csr(sepc), read_csr(stval));
69 }
69 panic( "unexpected exception happened.\n" );
70 }
71
72 // continue (come back to) the execution of current process.
73 switch_to(current);
74 }
```
```
我们看到， ， ， ， ，
我们看到， ， ， ， ，
```c
```c
31 static uint64 g_ticks = 0;
31 static uint64 g_ticks = 0;
32 void handle_mtimer_trap() {
32 //
33 sprint("Ticks %d\n", g_ticks);
33 // added @lab1_3
34 // TODO (lab1_3): increase g_ticks to record this "tick", and then clear the "SIP"
34 //
35 // field in sip register.
35 void handle_mtimer_trap() {
36 // hint: use write_csr to disable the SIP_SSIP bit in sip.
36 sprint("Ticks %d\n", g_ticks);
37 panic( "lab1_3: increase g_ticks by one, and clear SIP field in sip register.\n" );
37 // TODO (lab1_3): increase g_ticks to record this "tick", and then clear the "SIP"
38
38 // field in sip register.
39 }
39 // hint: use write_csr to disable the SIP_SSIP bit in sip.
40 panic( "lab1_3: increase g_ticks by one, and clear SIP field in sip register.\n" );
41
42 }
```
```
至此，我们就知道为什么会在之前看到`lab1_3: increase g_ticks by one, and clear SIP field in sip register.`这样的输出了，
至此，我们就知道为什么会在之前看到`lab1_3: increase g_ticks by one, and clear SIP field in sip register.`这样的输出了，
那么handle_mtimer_trap()需要完成哪些“后续动作”呢？ ， ， ， 3 行会输出该计数。为了确保我们的系统持续正常运行， ， ； ， ， （ ， ） （ ） ， ， ， ，
那么handle_mtimer_trap()需要完成哪些“后续动作”呢？ ， ， ， 6 行会输出该计数。为了确保我们的系统持续正常运行， ， ； ， ， （ ， ） （ ） ， ， ， ，
**实验完毕后，记得提交修改（命令行中-m后的字符串可自行确定） ， ：
**实验完毕后，记得提交修改（命令行中-m后的字符串可自行确定） ， ：
@ -1566,6 +1614,8 @@ System is shutting down with exit code 0.
$ git commit -a -m "my work on lab1_3 is done."
$ git commit -a -m "my work on lab1_3 is done."
```
```
< a name = "lab1_challenge1_backtrace" > < / a > < a name = "lab1_challenge1_backtrace" > < / a >
## 3.5 lab1_challenge1 打印用户程序调用栈（难度：★ ★ ★ ☆ ☆ ）
## 3.5 lab1_challenge1 打印用户程序调用栈（难度：★ ★ ★ ☆ ☆ ）
@ -1717,8 +1767,8 @@ $ riscv64-unknown-elf-objdump -d obj/app_print_backtrace
在`elf_init`函数中完成了`elf header`的加载:
在`elf_init`函数中完成了`elf header`的加载:
```C
```C
42 // load the elf header
41 // load the elf header
43 if (elf_fpread(ctx, & ctx->ehdr, sizeof(ctx->ehdr), 0) != sizeof(ctx->ehdr)) return EL_EIO;
42 if (elf_fpread(ctx, & ctx->ehdr, sizeof(ctx->ehdr), 0) != sizeof(ctx->ehdr)) return EL_EIO;
```
```
Section Header Table可以认为是一个线性结构， ， ， ，
Section Header Table可以认为是一个线性结构， ， ， ，
Zhiyuan Shao
3 years ago
