Lab4 Trap

2020 年的课和这个不太兼容（需要看完中断之后才能做这个实验），实验难度为 easy, moderate, hard。

第三题需要用到中断的内容（或者说第三题就是中断

前两题应该算是比较简单的类型，看过课（课本可能描述的还不够详细）的话应该很容易就能做出来。

实验准备

1
git fetch
2
git checkout traps
3
make clean

得到相应的实验环境

RISC-V assembly

阅读汇编代码回答问题：

1
int g(int x) {
2
   0:  1141                  addi  sp,sp,-16
3
   2:  e422                  sd  s0,8(sp)
4
   4:  0800                  addi  s0,sp,16
5
  return x + 3;
6
}
7
   6:  250d                  addiw  a0,a0,3
8
   8:  6422                  ld  s0,8(sp)
9
   a:  0141                  addi  sp,sp,16
10
   c:  8082                  ret
11

12
000000000000000e <f>:
13

14
int f(int x) {
15
   e:  1141                  addi  sp,sp,-16
16
  10:  e422                  sd  s0,8(sp)
17
  12:  0800                  addi  s0,sp,16
18
  return g(x);
19
}
20
  14:  250d                  addiw  a0,a0,3
21
  16:  6422                  ld  s0,8(sp)
22
  18:  0141                  addi  sp,sp,16
23
  1a:  8082                  ret
24

25
000000000000001c <main>:
26

27
void main(void) {
28
  1c:  1101                  addi  sp,sp,-32
29
  1e:  ec06                  sd  ra,24(sp)
30
  20:  e822                  sd  s0,16(sp)
31
  22:  1000                  addi  s0,sp,32
32
  printf("%d %d\n", f(8) + 1, 13);
33
  24:  4635                  li  a2,13
34
  26:  45b1                  li  a1,12
35
  28:  00000517            auipc  a0,0x0
36
  2c:  7e050513            addi  a0,a0,2016 # 808 <malloc+0xe4>
37
  30:  00000097            auipc  ra,0x0
38
  34:  636080e7            jalr  1590(ra) # 666 <printf>
39
  unsigned int i = 0x00646c72;
40
  38:  006477b7            lui  a5,0x647
41
  3c:  c727879b            addiw  a5,a5,-910
42
  40:  fef42623            sw  a5,-20(s0)
43
  printf("H%x Wo%s", 57616, &i);
44
  44:  fec40613            addi  a2,s0,-20
45
  48:  65b9                  lui  a1,0xe
46
  4a:  11058593            addi  a1,a1,272 # e110 <__global_pointer$+0xd0d7>
47
  4e:  00000517            auipc  a0,0x0
48
  52:  7c250513            addi  a0,a0,1986 # 810 <malloc+0xec>
49
  56:  00000097            auipc  ra,0x0
50
  5a:  610080e7            jalr  1552(ra) # 666 <printf>
51
  exit(0);
52
  5e:  4501                  li  a0,0
53
  60:  00000097            auipc  ra,0x0
54
  64:  27e080e7            jalr  638(ra) # 2de <exit>
55
# ...
56
0000000000000666 <printf>:
57

58
void
59
printf(const char *fmt, ...)
60
{
61
 666:  711d                  addi  sp,sp,-96
62
 668:  ec06                  sd  ra,24(sp)
63
 66a:  e822                  sd  s0,16(sp)
64
 66c:  1000                  addi  s0,sp,32
65
 66e:  e40c                  sd  a1,8(s0)
66
 670:  e810                  sd  a2,16(s0)
67
 672:  ec14                  sd  a3,24(s0)
68
 674:  f018                  sd  a4,32(s0)
69
 676:  f41c                  sd  a5,40(s0)
70
 678:  03043823            sd  a6,48(s0)
71
 67c:  03143c23            sd  a7,56(s0)
72
  va_list ap;
73

74
  va_start(ap, fmt);
75
 680:  00840613            addi  a2,s0,8
76
 684:  fec43423            sd  a2,-24(s0)
77
  vprintf(1, fmt, ap);
78
 688:  85aa                  mv  a1,a0
79
 68a:  4505                  li  a0,1
80
 68c:  00000097            auipc  ra,0x0
81
 690:  dce080e7            jalr  -562(ra) # 45a <vprintf>
82
}
83
 694:  60e2                  ld  ra,24(sp)
84
 696:  6442                  ld  s0,16(sp)
85
 698:  6125                  addi  sp,sp,96
86
 69a:  8082                  ret

哪些寄存器是用于调用函数时存储参数的
main 函数在什么地方调用了 f 与 g 函数
函数 printf 在什么位置
在 mian 中使用 printf 后寄存器 ra 的值是多少

运行代码

1
unsigned int i = 0x00646c72;
2
printf("H%x Wo%s", 57616, &i);

的输出是什么

在下面的代码中，y 会输出什么？（不同的电脑得到的值是不一样的）

回答如下：

观察函数g的汇编，很显然 a0 存放函数的第一个参数，a2，a3依此类推。返回值存储在 a0, a1 两个寄存器中
两个函数由于过于简单，都被编译器内联优化了，main调用 f 时直接将答案计算出来，f 内联了 g 而非调用
0000000000000666
jal是跳转到某个地址同时把返回调用点的地址存储在$ra中，jalr可以使用相对地址跳转，兼具jar的作用。因此$ra中存储的就是下一条指令开始的地方0x38(当前跳转的地址 address+4)
输出：He110 World%，这是因为 RISC-V 使用小端法表示数字，若为大端法则输出He110 Wo%; 数字不用改变，因为编译器会使用机器的编码方式做出改变。
会打印出 a2 的值，但在 x86-64 机器运行则会输出一个随机数。

Backtrace

实现一个 backtrace() 函数，用于打印函数调用时的返回地址（也就是栈帧地址），方便 debug （说是这么说，但是我感觉 gdb + tui 比这个香多了）

值得注意的是，实现完这个函数后，需要在 sys_sleep() 中调用此函数才行。

其他的就根据官网的 Hint 来就行，在对应的文件位置添加对应的条目，例如：

Add the prototype for backtrace to kernel/defs.h so that you can invoke backtrace in sys_sleep.

The GCC compiler stores the frame pointer of the currently executing function in the register s0. Add the following function to kernel/riscv.h

……

这些都较为基础，所以在这里就省略了。

我们遵照样例中给出的格式，首先打印 backtrace:，然后递归地打印调用者的地址

在提示中给出，首先，我们需要去找到当前的栈帧，也就是 fp。

随后，我们遍历这个页表，由于返回地址的偏移量为 -8 ，而上一个函数的栈帧的偏移量为 -16（负数是因为栈是向下增长的），如下图所示：

Stack Frame

于是，我们的代码如下：

1
void
2
backtrace(void) {
3
  printf("backtarce:\n");
4
  uint64 fp = r_fp();
5
  uint64 top = PGROUNDUP(fp), bottom = PGROUNDDOWN(fp);
6
  while (fp > bottom && fp < top) {
7
    uint64 res = *(uint64*)(fp - 8);
8
    printf("%p\n", res);
9
    fp = *(uint64*)(fp - 16);
10
  }
11
}

这里给出了一个 backtrace 的用处：

将他接口到 kernel/printf.c 中的 panic() 中去，这样当我们遇到 bug 而导致内核陷入 panic 时，我们就知道到底是什么地方出现了问题。

Alarm

中断……

一个时钟中断问题

在这部分，我需要记录一下遇到的问题。

我们需要实现两个函数，分别为 sys_sigalarm() 与 sys_sigreturn()（实际上是两个系统调用，用户空间的函数需要自己去补充，按照添加系统调用的规则来做即可）

第一个函数需要将 interval 与 handler 存储到当前的 PCB 中去（为此我们需要在 PCB 中添加存储这些内容的成员）

第二个函数是一个回调函数，具体而言，他需要做的就是恢复执行 handler 函数前系统的状态。

然而，提示还告诉我们，我们需要在 PCB 中添加当前进程在上一次调用 sigalarm(interval, handler) 后经过了多少 CPU 时间。

因此，我们的 PCB 修改如下：

问题：只添加 epc 用于回调函数

首先，问题是我们为什么需要 epc 。

在 kernel/trap.c 中我们知道，从内核恢复到用户空间，我们需要从 trapframe 中恢复陷入内核前的所有寄存器内容，包括 pc，而 pc 是被存储在 trapframe 中的 epc 之中的。

于是，可以猜测，如果我们修改 trapframe 中的 epc 的话，那么当内核调用 userret() ，我们就会去调用 epc 所指向的内容了，那么回调的时候，显然，我们也只需要将原来用户空间陷入内核时的 pc 替换到 trapframe 的 epc 中来。

1
struct proc {
2
  //....
3
  uint alarm;             // ALarm ticks
4
  uint64 handler;              // handler function
5
  uint rest;               // rest ticks
6
  uint64 epc;             // save pc
7
};

我们的 sys_sigalarm() 的任务只是存储用户空间传进的参数，并且我们需要将 rest 设置为 0：

1
uint64
2
sys_sigalarm(void) {
3
  int n;
4
  uint64 handler;
5
  struct proc* p = myproc();
6
  if (argint(0, &n) < 0 || argaddr(1, &handler) < 0)
7
    return -1;
8
  p->alarm = n;
9
  p->handler = handler;
10
  p->rest = 0;
11
  return 0;
12
}

当然，rest 在进程刚被创建时，我们就需要将其设置为 0

于是在 kernel/proc.c 中的 allocproc() 中，我们添加如下：

1
static struct proc*
2
allocproc(void) {
3
  struct proc* p;
4
  // ......
5

6
  // Set ticks
7
  p->rest = 0;
8

9
  return p;
10
}

随后，我们需要修改中断的代码，也就是在 kernel/trap.c 中的 if(which_dev == 2)（代表时钟中断）：

1
  // give up the CPU if this is a timer interrupt.
2
  if (which_dev == 2) {
3
    if (p->alarm) {
4
      p->rest += 1;
5
      if (p->rest == p->alarm) {
6
        p->rest = 0;
7
        p->epc = p->trapframe->epc;
8
        p->trapframe->epc = p->handler;
9
      }
10
    }
11
    else {
12
      yield();
13
    }
14
 }

sys_sigreturn()在 test0 中可以什么都不实现就能通过，但对于 test1/test2 的话，我们的想法是，我们只需要回复 pc 即可：

1
uint64
2
sys_sigreturn(void) {
3
  struct proc* p = myproc();
4
  p->trapframe->epc = p->epc;
5
  return 0;
6
}

然而，这样在 test1 会导致一个错误：

原因我认为是，我们需要恢复的寄存器并不止是一个 pc ，其他 100+个寄存器应该可能都是需要恢复的，那么我们就干脆把原本的 trapframe 复制一份存起来，等到回调时再恢复就可以了。

正确代码

既然知道错在什么地方，那么我们只需要修改存储的方法即可：

在 PCB 中添加一个 struct trapframe* alarmframe 用于存储前一次的 trapframe
在 trap.c 处理时钟中断时，我们将 trapframe 复制到 alarmframe 中去
在 sys_sigalarm() 中，我们需要将 alarmframe 设置为 NULL 方便在识别此处到底有没有存储数据
在 sys_sigreturn() 中，我们将 alarmframe 复制到 trapframe 中去

代码如下所示：

1
struct proc {
2

3
  // .....
4
  uint alarm;             // ALarm ticks
5
  uint64 handler;              // handler function
6
  uint rest;               // rest ticks
7
  struct trapframe* alarmframe; // save regs
8
};

1
  // give up the CPU if this is a timer interrupt.
2
  if (which_dev == 2) {
3
    if (p->alarm) {
4
      p->rest += 1;
5
      if (p->rest == p->alarm) {
6
        p->rest = 0;
7
        if (!p->alarmframe) {
8
          p->alarmframe = kalloc();
9
          memmove(p->alarmframe, p->trapframe, 290);
10
          p->trapframe->epc = p->handler;
11
        }
12
      }
13
    }
14
    else
15
      yield();
16
  }

1
uint64
2
sys_sigalarm(void) {
3
  int n;
4
  uint64 handler;
5
  struct proc* p = myproc();
6
  if (argint(0, &n) < 0 || argaddr(1, &handler) < 0)
7
    return -1;
8
  p->alarm = n;
9
  p->handler = handler;
10
  p->rest = 0;
11
  p->alarmframe = 0;
12
  return 0;
13
}
14

15
uint64
16
sys_sigreturn(void) {
17
  struct proc* p = myproc();
18
  if (p->alarmframe) {
19
    memmove(p->trapframe, p->alarmframe, 290);
20
    kfree(p->alarmframe);
21
    p->alarmframe = 0;
22
  }
23
  return 0;
24
}

至于这里，为什么 memmove 选择 290 字节，这是因为在 kernel/proc.h 中的 struct trapframe 中定义了，trapframe 最多到 280 + 8 字节，凑个整 290 刚好（bushi

这部分可以自行选择，不低于 280 即可。

实验结果

grade

また夏を追う

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