xv6源码分析 013

本文主要是介绍xv6源码分析 013，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

xv6源码分析 013

从这一章开始我们就开始学习xv6内核的陷入机制（trap）。其中主要的函数是usertrap和kerneltrap，这两个函数的实现有点像。

我们需要了解用用户态陷入内核态并从内核态返回用户态，从内核态进行陷入并返回的整个过程，以及会调用那些函数，陷入之前的进程的上下文如何被保存，保存在哪里，陷入过程中需要改变那些寄存器的值，从陷入中恢复之后需要如何恢复这些寄存器的值，等等。

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全局变量

struct spinlock tickslock;
uint ticks;extern char trampoline[], uservec[], userret[];// in kernelvec.S, calls kerneltrap().
void kernelvec();

struct spinlock tickslock和uint ticks是用于时钟中断的

extern char trampoline[], uservec[], userret[]是汇编函数

void kernelvec()也是一个汇编函数

初始化函数

void
trapinit(void)
{initlock(&tickslock, "time");
}

从用户态陷入

我先用一个图来表示从用户态陷入内核，再从内核返回用户态的整个过程。

现在我们来看看具体的函数

陷入函数

陷入过程由两部分组成，trampoline page中存放的跳转代码（在trampoline.S中），和usertrap(void)。

我们先来看看trampoline.S中陷入内核的部分

uservec:	# 这是一个全局标识，在文件外部也能够使用这个标识# swap a0 and sscratch# so that a0 is TRAPFRAMEcsrrw a0, sscratch, a0  # 这条汇编指令下面会讲解# save the user registers in TRAPFRAME# 将当前cpu中寄存器的状态保存到tramframe中sd ra, 40(a0)sd sp, 48(a0)sd gp, 56(a0)sd tp, 64(a0)sd t0, 72(a0)sd t1, 80(a0)sd t2, 88(a0)sd s0, 96(a0)sd s1, 104(a0)sd a1, 120(a0)sd a2, 128(a0)sd a3, 136(a0)sd a4, 144(a0)sd a5, 152(a0)sd a6, 160(a0)sd a7, 168(a0)sd s2, 176(a0)sd s3, 184(a0)sd s4, 192(a0)sd s5, 200(a0)sd s6, 208(a0)sd s7, 216(a0)sd s8, 224(a0)sd s9, 232(a0)sd s10, 240(a0)sd s11, 248(a0)sd t3, 256(a0)sd t4, 264(a0)sd t5, 272(a0)sd t6, 280(a0)# save the user a0 in p->trapframe->a0# 获取本次陷入内核的缘由csrr t0, sscratchsd t0, 112(a0)# restore kernel stack pointer from p->trapframe->kernel_sp# 从trapframe中加载内核栈的栈指针到sp寄存器ld sp, 8(a0)# make tp hold the current hartid, from p->trapframe->kernel_hartidld tp, 32(a0)# load the address of usertrap(), p->trapframe->kernel_trapld t0, 16(a0)# restore kernel page table from p->trapframe->kernel_satpld t1, 0(a0)# satp寄存器：# 用于管理内存地址转换和页表相关的设置，# 比如建立和更改虚拟地址到物理地址的映射csrw satp, t1# 这是内存屏障，确保在跳转到内核的上下文之前，准备工作都# 已经就绪了。sfence.vma zero, zero# a0 is no longer valid, since the kernel page# table does not specially map p->tf.# jump to usertrap(), which does not returnjr t0

我们先来解释一下csrrw a0, sscratch, a0这句汇编。

1. csrrw表示“读-改-写”（Read-Set-Write）操作，它回显读取一个系统控制寄存器的值，然后用给定的寄存器更新该寄存器，并返回寄存器原始的值。我们需要注意的是：这是一条原子指令，基本用途是：在软件中管理和控制处理器的行为和状态，比如中断功能，计时器或调试功能等。

2. 参数：

   csrrw rd, csr, rs1
   

   • rd：目标寄存器，用于存放从CSR中读取的原始值
   • csr：要访问的控制状态寄存器的编码
   • rs1：源寄存器，其内容将被写入CSR中。

3. 指令执行的过程：

   • 读取csr当前的值，并将该值写入到寄存器rd中。
   • 将寄存器rs1中的值写入csr中，完成修改操作

所以这条指令的作用就是原子地交换了两个寄存器的值。我们也可以去了解一条cas指令xchg，这个也是一个原子指令，用在互斥锁中的。

ok，当执行完上面这段trampoline汇编之后，我们就跳转到了内核中，并处于usertrap()函数的入口处，我们现在来执行这个函数，这个函数的主要的功能是路由（routine）：判断陷入的原因，并执行相应的处理程序。

usertrap(void)

void
usertrap(void)
{int which_dev = 0;if((r_sstatus() & SSTATUS_SPP) != 0)panic("usertrap: not from user mode");// send interrupts and exceptions to kerneltrap(),// since we're now in the kernel.// 主要的作用是用来处理用户态陷入执行时可能产生的异常或中断w_stvec((uint64)kernelvec); // 这句代码我们在下面解释struct proc *p = myproc();// save user program counter.p->trapframe->epc = r_sepc();if(r_scause() == 8){// system call// 系统调用if(p->killed)exit(-1);// sepc points to the ecall instruction,// but we want to return to the next instruction.// 跳过ecall指令执行下一条指令p->trapframe->epc += 4;  // 下面再细讲// an interrupt will change sstatus &c registers,// so don't enable until done with those registers.intr_on();syscall();} else if((which_dev = devintr()) != 0){// ok// 设备中断，由于这个是第一个实验的代码，所以可能没有} else {printf("usertrap(): unexpected scause %p pid=%d\n", r_scause(), p->pid);printf("            sepc=%p stval=%p\n", r_sepc(), r_stval());p->killed = 1;}if(p->killed)exit(-1);// give up the CPU if this is a timer interrupt.// 时钟中断if(which_dev == 2)yield();// 陷入执行完毕开始返回usertrapret();// 陷入机制的函数一般都是一去不复返的。
}

我们看两点，可能会有疑惑的地方：

• w_stvec((uint64)kernelvec);

  这行代码的作用是设置系统陷入处理的入口地址（interrupt service routine）。在RISC-V架构中，stvec寄存器存储着中断或异常向量表的基地址。这意味着后续的中断和异常不在由usertrap()来处理，而是交给了kernelvec指向的汇编函数来处理，这是内核在响应这些是将时从用户态转到内核态的一个关键步骤。

• p->trapframe->epc += 4;

  这行代码理解起来就相对简单，我们知道，调用系统调用进而陷入内核是通过ecall指令，所以ecall是陷入的开始（对内核来说），也是上一次上下文切换的最后一条指令（对用户态进程来说）。在内核中，ecall相当于一条没用的指令，所以我们需要跳过这条指令，指向下一条需要执行的指令，注意这两条指令不一定是在连续的物理内存中的。

明天在讲解剩下的内容。

通过ecall指令，所以ecall是陷入的开始（对内核来说），也是上一次上下文切换的最后一条指令（对用户态进程来说）。在内核中，ecall相当于一条没用的指令，所以我们需要跳过这条指令，指向下一条需要执行的指令，注意这两条指令不一定是在连续的物理内存中的。

明天在讲解剩下的内容。

这篇关于xv6源码分析 013的文章就介绍到这儿，希望我们推荐的文章对编程师们有所帮助！

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