MIT6.S081 Lab traps

Lab traps

RISC-V assembly

阅读 call.asm 的 f(),g() 函数，回答一些问题：

Ans

Backtrace

backtrace 对于 debug 很有用：在 error 发生时输出一列栈上的函数调用链。
编译器在每个 stack frame 中存放有一个 frame 指针（To Prev.Frame(fp)），这个 fp 指针指向调用者的 frame pointer 。本实验需要使用这些 fp 遍历 stack 区域然后打印每个 stack frame 保存的返回地址（return address）。

stack frames 的布局：

 --->Return Address
 |   To Prev.Frame(fp)
 |   Saved Registers
 |   Local Variables
 |   ...
 |   Return Address
 ----To Prev.Frame(fp)
     Saved Registers
     Local Variables
     ...

$sp 指向的是当前 stack frame 的底部（低地址）
$fp 指向的是当前 stack frame 的顶部（高地址）
当前 $fp - 8 的位置是 Return Address ， $fp - 16 的位置是 To Prev.Frame(fp)。

void
backtrace(void)
{
  printf("backtrace:\n");

  uint64 fp = r_fp(); // top address of current stack frame
  uint64 stackpagetop = PGROUNDUP(fp); // top address of stack page

  while (fp < stackpagetop)
  {
    printf("%p\n", *(uint64 *)(fp - 8)); // Saved registers: $ra
    fp = *(uint64 *)(fp - 16); // Saved registers: To Prev.Frame
  }
}

Alarm

为xv6增加一个特性：定期向一个使用CPU时间的进程发出警报。对于想限制占用CPU时间的进程很有用，对于想进行计算又想执行周期任务的进程很有用。
更一般的说：实现一个原始的用户级 interrupt/fault handlers 。也可以使用类似的方法处理应用中的缺页。

需要增加一个新的 sigalarm(interval, handler) 系统调用。如果一个应用调用 sigalarm(n, fn)，那么应用程序每消耗 \(n\) 个ticks，内核需要让应用程序执行函数 fn(test0)。当 fn 返回时，应用程序需要恢复 fn 函数执行之前的代码执行（test1/test2的实验目标）。tick 是 xv6 的时间单元，由硬件时钟产生中断决定。如果应用程序调用 sigalarm(0,0)，内核需要停止生成周期时钟调用。

kernel/proc.h 中定义alarm相关属性。

• histrapframe 用于在 \(n\) 个 ticks 后，执行 fn 前，在内核中保存用户态的用户寄存器，因为此次返回用户态并不是为了恢复正常代码的执行，而是为了执行 fn。在 fn 中必须有 sigreturn 系统调用再次进入内核，同时用 histrapframe 恢复原用户态的寄存器状态，从而在返回用户态时恢复正常执行。流程为：

  原流程代码 --> 调用sigalarm系统调用 -->
  进入内核设置alarm相关数据-->
  返回用户态执行原流程代码 -->
  ticks 到，因为时钟中断，所以此时在内核态，设置 $sepc 指向 fn，保存原 trapframe -->
  返回用户态，但是执行的是fn，而不是原流程代码 -->
  在 fn 中通过 sigreturn 再次进入内核态，恢复原流程代码的trapframe -->
  返回用户态执行原流程代码
  

• alarmisreturn 用来标记 handler 是否返回，如果 handler 没有返回，则内核不能再次调用它。如 handler 的处理时间大于给定时间 \(n\) ticks 的时候：在用户态处理 handler 时，因为 ticks 到期再次 trap 进入内核，尽管时钟满足条件，但是 handler 没有返回，所以内核不应该再次调用 handler。
  （分析下，实验这样限制的原因：当一个handler没有结束，再响应一个handler时，新的handler会污染原handler的PC和trapframe，造成程序执行异常。）
• alarminterval 表示周期数 \(n\)， alarmpassed 表示当前经过的时间， (*alarmhandler)() 表示fn的函数指针。

int alarminterval;               // sigalarm alarm interval
int alarmpassed;                 // sigalarm passed time
void (*alarmhandler)();          // sigalarm handler
struct trapframe histrapframe;   // save trapframe to retrieve to original code from alarm handler.
int alarmisreturn;               // 0 is not return so that can not re-enter handler. 1 can do.

kernel/sysproc.c：取出系统调用的参数，配置 proc 的 alarm 相关属性。

// After every n "ticks" of CPU time that the program consumes,
// the kernel should call fn.
uint64
sys_sigalarm(void)
{
  int n;
  uint64 addr;

  if (argint(0, &n) < 0 || argaddr(1, &addr) < 0)
    return -1;

  myproc()->alarminterval = n;
  myproc()->alarmpassed = 0;
  myproc()->alarmisreturn = 1;
  myproc()->alarmhandler = (void(*)())addr;

  return 0;
}

uint64
sys_sigreturn(void)
{
  *(myproc()->trapframe) = myproc()->histrapframe;
  myproc()->alarmpassed = 0;
  myproc()->alarmisreturn = 1;
  return 0;
}

kernel/trap.c：判断是否应该执行 alarm handler（时钟周期到且上一个alarm handler已经返回）。保存 trapframe 以便 sigreturn 中返回，记录当前 alarm handler 没有返回，防止后续 handler 的“覆盖“执行。

// give up the CPU if this is a timer interrupt.
  if (which_dev == 2) {
    if (p->alarminterval > 0) {
      p->alarmpassed++;
      if (p->alarmisreturn && p->alarmpassed >= p->alarminterval) {
        p->histrapframe = *(p->trapframe);
        p->trapframe->epc = (uint64)p->alarmhandler;
        p->alarmisreturn = 0;
      }
    }

Code

Code：Lab traps