本文记录了 Lab: traps 的实验过程

Lab: traps

这个 lab 是研究使用 traps 实现系统调用。

kernel/trampoline.S：涉及将用户空间切换到内核空间并返回用户空间的汇编代码
kernel/trap.c：处理中断的代码

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git fetch
git checkout traps
make clean

RISC-V assembly (easy)

了解 RISC-V 的汇编代码，然后回答几个问题

寄存器 a1 和 a2 包含了 printf 的参数，13 在寄存器 a2 中
在 main 函数中没有调用 f，g，它们被内联了
printf 函数位于 ra = 0x30 + 1536(0x600) = 0x630
0x38
%x 表示以十六进制形式输出，%s 以字符形式输出，所以结果为：He110 World。如果 RISC-V 是大端模式的话，那么 i 应为 0x00726c64 才能保证和上面输出一样；不需要改变 57616 这个值。
y= 后面会输出一个随机数

Backtrace (moderate)

实验要求：实现一个类似 GDB 的 backtrace() 函数，它会列出堆栈上调用函数的列表。

按提示的步骤，首先读取寄存器 s0 保存的 fp 指针，return adress 在fp - 8 处，Prev fp 在 fp -16 处

实验步骤

在 kernel/defs.h 中声明函数原型，在 sys_sleep 中调用 backtrace()

// kernel/defs.h
void            printfinit(void);
void            backtrace(void);	// add for lab traps

// kernel/sysproc.c
sys_sleep(void)
{
  int n;
  uint ticks0;
  backtrace();
  // ...
}

在 kernel/riscv.h 中实现读取寄存器 s0 的函数

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

在 kernel/printf.c 中实现 backtrace()

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

注意：

fp 保存了 frame pointer 的地址，需要通过 (uint64*) 将它转成无符号长整型指针，再通过 * 运算符取得那个地址的值。

测试

1 2	make qemu bttest

退出 qemu 后，在终端输入 bttest 打印q出来的地址

addr2line -e kernel/kernel
0x0000000080002de2
0x0000000080002f4a
0x0000000080002bfc

Alarm (hard)

要求：实现一个功能，在用户进程每运行 n 个时钟周期后，调用该进程提供的 handler 函数

实验思路

将 alarmtest 添加到 Makefile 文件中编译，添加两个系统调用：int sigalarm(int n, void (*handler)()) 和 void sigreturn(void)（Lab：System Call 已经介绍了实现系统调用的步骤）。然后在进程结构体的定义中添加几个字段：ticks，handler，count

在 test0 中，我们先实现 sigalarm，这个函数的作用是初始化 struct proc 中新增的字段。然后在 usertrap 中的时钟中断的那个判断语句中添加代码进行处理，让 p->trapframe->epc 保存 handler 函数的地址，以便返回用户空间时，可以执行 handler 函数。此时运行 alarmtest 能通过 test0。

在 test1/test2中，由于要使用 sigreturn 这个系统调用，当 handler 处理完成后，会返回到用户程序被时钟中断的那个地方，因此需要保存用户的寄存器。在 struct proc 添加一个字段 struct trapframe traps，每当要执行 handler 函数时，它会保存 p->trapframe 中的内容，在 sigreturn 中，又恢复 p->trapframe 的值。

实验步骤

这里略过在各文件对系统调用的定义
在 kernel/proc.h 中添加下面字段

int ticks; // alarm interval
int count; // how many ticks have passed since the last call
uint64 handler; // the pointer to the handler function
struct trapframe traps;

在 kernel/trap.c 的处理时钟中断的判断逻辑中，添加相应代码

void
usertrap(void)
{
  // ...
  // give up the CPU if this is a timer interrupt.
  if(which_dev == 2){
    if(++p->count == p->ticks){ // need call handler function
      // save p->trapframe to p->traps
      memmove(&(p->traps), p->trapframe, sizeof(struct trapframe));
      p->trapframe->epc = p->handler;
    }
    yield();
  }
  // ...
}

在 kernel/sysproc.c 中添加两个系统调用的实现

// sys_sigalarm() should store the alarm interval 
// and the pointer to the handler function
int
sys_sigalarm(void)
{
  struct proc *p = myproc();
  int ticks;
  uint64 handler;

  if(argint(0, &ticks) < 0)
    return -1;
  if(argaddr(1, &handler) < 0)
    return -1;

  p->ticks = ticks;
  p->handler = handler;
  
  return 0;
}
int
sys_sigreturn()
{
  struct proc *p = myproc();
  p->count = 0; // reset p->count
  // restore p->trapframe from p->traps
  memmove(p->trapframe, &(p->traps), sizeof(struct trapframe));
  return 0;
}

测试

1 2	make qemu alarmtest

1	make grade

Diff

diff --git a/Makefile b/Makefile
index 1fa367e..a74296b 100644
--- a/Makefile
+++ b/Makefile
@@ -175,6 +175,7 @@ UPROGS=\
 	$U/_grind\
 	$U/_wc\
 	$U/_zombie\
+	$U/_alarmtest\
 
 
 
diff --git a/kernel/defs.h b/kernel/defs.h
index 4b9bbc0..9148b4c 100644
--- a/kernel/defs.h
+++ b/kernel/defs.h
@@ -80,6 +80,7 @@ int             pipewrite(struct pipe*, uint64, int);
 void            printf(char*, ...);
 void            panic(char*) __attribute__((noreturn));
 void            printfinit(void);
+void            backtrace(void);	// add for lab traps
 
 // proc.c
 int             cpuid(void);
diff --git a/kernel/printf.c b/kernel/printf.c
index e1347de..057faba 100644
--- a/kernel/printf.c
+++ b/kernel/printf.c
@@ -121,6 +121,7 @@ panic(char *s)
   printf("panic: ");
   printf(s);
   printf("\n");
+  backtrace();
   panicked = 1; // freeze uart output from other CPUs
   for(;;)
     ;
@@ -132,3 +133,13 @@ printfinit(void)
   initlock(&pr.lock, "pr");
   pr.locking = 1;
 }
+void
+backtrace()
+{
+  printf("backtrace:\n");
+  uint64 fp = r_fp();
+  while(PGROUNDDOWN(fp) < PGROUNDUP(fp)){
+    printf("%p\n", *((uint64*)(fp - 8)));
+    fp = *(uint64*)(fp - 16);
+  }
+}
diff --git a/kernel/proc.h b/kernel/proc.h
index 9c16ea7..8f8ad3e 100644
--- a/kernel/proc.h
+++ b/kernel/proc.h
@@ -103,4 +103,9 @@ struct proc {
   struct file *ofile[NOFILE];  // Open files
   struct inode *cwd;           // Current directory
   char name[16];               // Process name (debugging)
+
+  int ticks; // alarm interval
+  int count; // how many ticks have passed since the last call
+  uint64 handler; // the pointer to the handler function
+  struct trapframe traps;
 };
diff --git a/kernel/riscv.h b/kernel/riscv.h
index 0aec003..d193d59 100644
--- a/kernel/riscv.h
+++ b/kernel/riscv.h
@@ -352,3 +352,10 @@ sfence_vma()
 
 typedef uint64 pte_t;
 typedef uint64 *pagetable_t; // 512 PTEs
+static inline uint64
+r_fp()
+{
+  uint64 x;
+  asm volatile("mv %0, s0" : "=r" (x) );
+  return x;
+}
\ No newline at end of file
diff --git a/kernel/syscall.c b/kernel/syscall.c
index c1b3670..24bfccd 100644
--- a/kernel/syscall.c
+++ b/kernel/syscall.c
@@ -104,6 +104,8 @@ extern uint64 sys_unlink(void);
 extern uint64 sys_wait(void);
 extern uint64 sys_write(void);
 extern uint64 sys_uptime(void);
+extern uint64 sys_sigalarm(void);
+extern uint64 sys_sigreturn(void);
 
 static uint64 (*syscalls[])(void) = {
 [SYS_fork]    sys_fork,
@@ -127,6 +129,8 @@ static uint64 (*syscalls[])(void) = {
 [SYS_link]    sys_link,
 [SYS_mkdir]   sys_mkdir,
 [SYS_close]   sys_close,
+[SYS_sigalarm] sys_sigalarm,
+[SYS_sigreturn] sys_sigreturn,
 };
 
 void
diff --git a/kernel/syscall.h b/kernel/syscall.h
index bc5f356..67ca3a4 100644
--- a/kernel/syscall.h
+++ b/kernel/syscall.h
@@ -20,3 +20,5 @@
 #define SYS_link   19
 #define SYS_mkdir  20
 #define SYS_close  21
+#define SYS_sigalarm 22
+#define SYS_sigreturn 23
diff --git a/kernel/sysproc.c b/kernel/sysproc.c
index e8bcda9..50d8cf4 100644
--- a/kernel/sysproc.c
+++ b/kernel/sysproc.c
@@ -57,6 +57,7 @@ sys_sleep(void)
 {
   int n;
   uint ticks0;
+  backtrace();
 
   if(argint(0, &n) < 0)
     return -1;
@@ -95,3 +96,31 @@ sys_uptime(void)
   release(&tickslock);
   return xticks;
 }
+// sys_sigalarm() should store the alarm interval
+// and the pointer to the handler function
+int
+sys_sigalarm(void)
+{
+  struct proc *p = myproc();
+  int ticks;
+  uint64 handler;
+
+  if(argint(0, &ticks) < 0)
+    return -1;
+  if(argaddr(1, &handler) < 0)
+    return -1;
+
+  p->ticks = ticks;
+  p->handler = handler;
+
+  return 0;
+}
+int
+sys_sigreturn()
+{
+  struct proc *p = myproc();
+  p->count = 0; // reset p->count
+  // restore p->trapframe from p->traps
+  memmove(p->trapframe, &(p->traps), sizeof(struct trapframe));
+  return 0;
+}
\ No newline at end of file
diff --git a/kernel/trap.c b/kernel/trap.c
index a63249e..f1d4022 100644
--- a/kernel/trap.c
+++ b/kernel/trap.c
@@ -77,8 +77,14 @@ usertrap(void)
     exit(-1);
 
   // give up the CPU if this is a timer interrupt.
-  if(which_dev == 2)
+  if(which_dev == 2){
+    if(++p->count == p->ticks){ // need call handler function
+      // save p->trapframe to p->traps
+      memmove(&(p->traps), p->trapframe, sizeof(struct trapframe));
+      p->trapframe->epc = p->handler;
+    }
     yield();
+  }
 
   usertrapret();
 }
diff --git a/user/user.h b/user/user.h
index b71ecda..57404e0 100644
--- a/user/user.h
+++ b/user/user.h
@@ -23,6 +23,8 @@ int getpid(void);
 char* sbrk(int);
 int sleep(int);
 int uptime(void);
+int sigalarm(int ticks, void (*handler)());
+int sigreturn(void);
 
 // ulib.c
 int stat(const char*, struct stat*);
diff --git a/user/usys.pl b/user/usys.pl
index 01e426e..fa548b0 100755
--- a/user/usys.pl
+++ b/user/usys.pl
@@ -36,3 +36,5 @@ entry("getpid");
 entry("sbrk");
 entry("sleep");
 entry("uptime");
+entry("sigalarm");
+entry("sigreturn");

Lab traps

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Lab: traps

RISC-V assembly (easy)

Backtrace (moderate)

实验步骤

测试

Alarm (hard)

实验思路

实验步骤

测试

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