Lab4-Lab: traps MIT6.1810操作系统工程【持续更新】

kernel/trap.c当中是处理所有中断的代码。RISC-V assembly (简单)​ 在这个lab当中要求我们阅读一些汇编代码并且了解c语言的某些语句对应的汇编是怎样的同时了解不同寄存器的不同职责例如ra寄存器是存放返回地址的寄存器。然后带我们了解了一下编译器在编译代码时如何优化/简化我们的代码。最后带我们直观地理解了一下大端模式和小端模式的区别以及两者在面对多字节存储和单个数值存储所造成的不同的影响。如何阅读汇编代码​ 以下是截取了call.asm当中的一部分代码这类代码是反汇编得来的结果。接下来将开始解析这段程序。##这是c语言函数f的反汇编代码通过截取编译器输出得到不是手写的汇编代码手写的汇编只有助记符没有地址码和机器码。 int f(int x) { ##对于这一行e是十六进制的内存地址/偏移1141是十六进制机器码。 ##再往后的addi sp,sp,-16是将栈指针sp减16。一般只有压栈的情况下才会修改栈指针 e: 1141 addi sp,sp,-16 ##对于这一行10是十六进制的内存地址/偏移e422是十六进制机器码。 ##再往后的sd s0,8(sp)是将寄存器s0的内容保存到栈的8偏移处sp8。 10: e422 sd s0,8(sp) ##对于这一行12是十六进制的内存地址/偏移0800是十六进制机器码。 ##再往后的addi sp,sp,16是将栈指针sp加16。一般只有出栈的情况下才会修改栈指针 12: 0800 addi s0,sp,16 ##调用函数g return g(x); }问题解答一、Which registers contain arguments to functions? For example, which register holds 13 in mains call toprintf?哪些寄存器包含函数的参数例如在main调用printf时哪个寄存器存放着13答从main函数开始有如下寄存器sp栈指针寄存器用于存储当前栈顶地址。入栈先减地址再入出栈先出再增。ra返回地址寄存器专门用于保存函数调用返回地址的寄存器。s0保存寄存器用于保存函数执行过程中需要持续使用的中间值、帧指针等。a0~a7是函数的参数寄存器传递函数参数时会用到。​ 在main调用printf时寄存器a2存放着13。二、Where is the call to functionfin the assembly code for main? Where is the call tog? (Hint: the compiler may inline functions.)在main函数的汇编代码中对函数f的调用在哪里对g的调用又在哪里提示编译器可能会内联函数。答在main函数当中对f的调用被简化为了一条指令li a1,12因为编译器在编译代码时对于非常简单的函数数会进行内联优化算出其结果然后直接写入对于寄存器中无需生成jal/jalr调用指令。对于g的调用会在f当中但是由于函数g过于简单所以对函数f进行了指令融合即将函数g当中的指令逻辑融合到f当中。在本例子当中g会做加3操作然后返回然后我们可以在f当中直接进行加三操作无需调用g。三、At what address is the function printf located?函数printf位于哪个地址答在call.asm当中有以下一行代码30: 6c4000ef jal ra,6f4 printf​ 其中jal是跳转指令指令格式为jal ra 目标地址,再结合后面的printf我们可以得知0x6f4是printf的地址对应printf的入口。四、What value is in the registerrajust after thejalrtoprintfinmain?在main函数中执行jalr到printf之后寄存器ra中的值是什么答因为ra是返回地址寄存器也就是说它里面保存的是执行完函数调用后应该返回的地址所以此时在执行到printf后ra内的值应该是指令jal ra,6f4 printf的下一条指令的地址也就是0x34。五、Run the following code.运行接下来的代码unsigned int i 0x00646c72; printf(H%x Wo%s, 57616, (char *) i);What is the output? Heres an ASCII table that maps bytes to characters.输出是什么这是一个将字节映射到字符的ASCII表。The output depends on that fact that the RISC-V is little-endian. If the RISC-V were instead big-endian what would you setito in order to yield the same output? Would you need to change57616to a different value?输出取决于 RISC-V 是小端字节序这一事实。如果 RISC-V 是大端字节序那么为了得到相同的输出你会将 i 设为多少你需要将 57616 改成其他值吗答输出内容如下xv6默认小端模式He110,World小端模式低地址存放低位高地址存放高位。大端模式低地址存放高位高地址存放低位。​ 依照大端模式我们需要将i进行修改大小端模式只影响多字节的存储而57616只是单个数值不涉及多字节存储。为符合大端要求我们需要将i修改为0x726c6400即可。六、In the following code, what is going to be printed aftery? (note: the answer is not a specific value.) Why does this happen?在下面的代码中y后面将会打印出什么注意答案不是一个具体的值。为什么会出现这种情况printf(x%d y%d, 3);答因为变量y没有对应的赋值所以会输出一个未初始化的随机的值类似0,1385-2294。在汇编时printf函数会用到两个寄存器其中 a1负责存放3a2没有指定要存放谁所以里面的值是未知的。Backtrace中等​ 当一个函数调用另一个函数时CPU 会将调用点的返回地址保存到栈上这样被调用函数执行完后才能回到原来的位置继续执行。每次调用都会创建新的栈帧并在栈帧中保存返回地址和上一层的栈帧指针。因此如果我们知道当前函数的栈帧位置就可以顺着栈帧链“回溯”找到上一层函数的返回地址再继续向上直到遍历完整个调用链。我们把这个过程形象地称为“顺腾摸瓜”意思是沿着栈帧链一层层找到调用关系。​ 本 Lab 要求实现一个backtrace()函数它从当前栈帧出发沿着栈帧链打印每一层函数的返回地址。输出顺序应与调用链一致从当前函数向上直到最初调用的内核入口。​栈帧指函数栈帧是函数在运行时在栈上分配的一段内存用来保存函数调用需要的信息例如返回地址上一层函数的栈帧指针局部变量保存的寄存器。官网提示和个人解析​ 1、在kernel/defs.h在声明backtrace()函数原型这样其他文件可以调用并且在kernel/printf.c当中实现该函数。​ 2、由于我们需要获取当前的栈帧地址所以官网给我们提供了一个r_fp函数用于返回当前的栈帧地址。我们需要将这个函数复制到kernel/riscv.h当中的#ifndef __ASSEMBLER__ ... #endif定义当中。​ 3、在实现该功能时我们需要获取当前栈帧的地址好在官网提供了r_fp函数它返回一个uint64类型的数据这是栈帧指针指向的位置存放着真正的栈帧地址对其解引用会得到当前的栈帧地址。​ 4、接下来我们开始“向上”寻找调用链上的函数根据官网的提示在“栈帧地址 - 8”的位置上存放的是上一层函数的返回地址也是我们要打印的地址。在“栈帧地址 - 16”的位置上存放的是上一层函数栈帧的地址在打印完毕后我们切换到上一层函数的栈帧然后继续打印返回地址然后再次向上寻找栈帧直至到达顶端。​ 以下是xv6内核的相关约定几乎每个函数调用的时候都会伴随以下汇编代码addi sp, sp, -X # 分配栈帧 sd ra, 8(sp) # 保存返回地址 sd s0, 0(sp) # 保存旧的 frame pointer栈帧指针指向存放栈帧的内存 mv s0, sp # 更新 frame pointer栈帧指针​ 更直观点s0 → 指向自己栈帧的 s0 存放位置 8 s0-8 → ra s0-16 → 上一级 s0​ 5、在向上寻找时也要注意越界的问题在xv6当中整个栈都在同一个页面当中因此所有的栈帧都是在一个页面中这也解释了为什么递归的层级多了会爆栈的原因因为调用新的函数会创建新的栈帧占用同一个栈的内存所以我们需要保证我们在获取到新的栈帧的同时要保证与刚才才处理过的栈帧处于同一页面官网当中给出了PGROUNDDOWN(fp)宏来帮助我们判断当前fp的页面。同时也有一个忽略的点就是要保证地址是递减的这样总会递减到当前页的边界使得循环终止如果忽略该条件可能会导致地址加加减减跳不出本页进而无限循环。​ 6、通过当前栈帧获取上一层函数的返回地址并且打印。​ 7、通过当前栈帧获取上一层函数的栈帧然后继续寻找。相关代码​ 在kernel/printf.c当中。void backtrace(){ // 当前的栈帧 uint64 s0 r_fp(); // 临时变量最新的函数栈帧 uint64 temp s0; // 临时变量用于接下来的比较 uint64 log s0; printf(backtrace:\n); // 确保找到的栈帧和最新的栈帧是同一页并且栈帧只能单调递减不能出现环路防止死循环。 while((PGROUNDDOWN(s0) PGROUNDDOWN(temp)) (s0 log )){ // 栈帧-8是返回地址取出返回地址当中的值以地址形式打印 uint64 ra *(uint64 *)(s0 - 8); printf(%p\n, (void *)ra); // 临时变量保存当前栈帧在保证栈帧单调递减的判断中使用 log s0; // 栈帧-16是上一层函数的栈帧 s0 *(uint64*)(s0 - 16); } }​之后根据官网的提示进行实验结果的验证即可。Alarm困难​ 在这一lab当中要求我们实现用户态的定时“中断”功能。用户进程可以向操作系统注册一个函数handler并且要求CPU在每隔n个tick后执行该函数一次在handler在被执行时用户程序需要“被暂停”直到handler执行完毕后再返回用户程序这个过程类似于硬硬件中断机制只不过采用了软件的方法实现。官网提示和个人解析​ 1、首先要求我们新添加两个系统调用分别是sigalarm(interval, handler)和sigreturn(void)具体的添加方式详见Lab2-system calls MIT6.1810操作系统工程【持续更新】 - 小白同学_C - 博客园。与此同时sigalarm(interval, handler)函数的第一个参数interval代表每隔多少和tick执行handler第二个参数handler就代表CPU每个n个tick要执行函数的地址了。这就需要我们在进程的proc当中添加新的成员用于记录当前tick和当前已经过去了多少tick以及注册的函数指针。​ 2、如果应用程序调用 sigalarm (0, 0)内核应停止生成周期性的警报调用。​ 3、handler执行时需要我们暂停用户程序也就是先将用户程序的代码保护起来替换为handler的代码。待handler执行完毕后再将用户程序的代码恢复这就要求我们在进程的proc当中添加相应的trapframe帧用于保存用户程序状态和中断的思想一样打断当前执行的程序→保护断点和现场→获得中断向量→执行中断处理程序→恢复断点和现场→被打断的程序继续执行。​ 4、把user/alarmtest.c添加到 Makefile 中。​ 5、记得把sigalarm(interval, handler)和sigreturn(void)添加到user/user.h当中。格式如下int sigalarm(int ticks, void (*handler)()); int sigreturn(void);​ 6、每过一个tick硬件时钟就会触发一次中断该中断在kernel/trap.c的usertrap ()中处理所以我们需要在这里进行修改。官网说了只要发生定时器中断时我们才需要修改/对比进程的时钟tick数。在如下判断体内实现“判断handler是否执行的相关逻辑”并且保存用户程序的断点和将用户程序代码替换为handler就在此执行。if(which_dev 2) ...​ 7、 当handler执行完毕后也是调用了sigreturn函数时要求我们返回当前进程的a0寄存器。相关代码​ 有关添加系统调用的代码在这里就先跳过了可以翻翻博主之前的文章Lab2-system calls MIT6.1810操作系统工程【持续更新】 - 小白同学_C - 博客园。​ 一、kernel/proc.h// 在进程的proc当中新添加如下内容 int alarmticks; // 警报之间的滴答声 int alarmtickscount; // 上次警报后的滴答声次数 uint64 alarmhandler; // 闹钟滴答声过去时调用的处理程序 int inhandler; // 是否正在处理alarm struct trapframe alarm_tf; // 用于保存被 alarm 打断时的 trapframe​ 二、kernel/sysproc.cuint64 sys_sigalarm(void) { int ticks; uint64 handler; // 读取用户传入参数 argint(0, ticks); argaddr(1, handler); struct proc *p myproc(); // 设置 alarmticks 和 alarmhandler p-alarmticks ticks; p-alarmtickscount 0; // 如果 ticks 和 handler 都为 0表示取消 alarm所以将 alarmhandler 设置为 -1表示不调用 handler if(ticks 0 handler 0) { p-alarmhandler -1; }else{ p-alarmhandler handler; } return 0; } uint64 sys_sigreturn(void) { struct proc *p myproc(); // 恢复被 alarm 打断时的 trapframe以便在 handler 处理完后继续被打断的程序 memmove(p-trapframe, p-alarm_tf, sizeof(struct trapframe)); // 处理完 alarm 后重置 inhandler 和 alarmtickscount p-inhandler 0; p-alarmtickscount 0; return p-trapframe-a0; // 返回用户程序中 a0 的值 }​ 三、kernel/trap.c// 在usertrap函数的 if(which_dev 2)... 当中添加如下内容 // 在时钟中断时检查是否需要处理 alarm if(which_dev 2){ // 获取当前进程的指针 struct proc *p myproc(); // 如果当前进程设置了 alarmhandler并且不在处理 alarm 的过程中就检查是否需要调用 alarmhandler // 注意alarmhandler 的值为 -1 表示没有设置 handler不调用值为 0 表示正在处理 alarm // 所以只有当 alarmhandler 大于 0 时才表示设置了 handler 并且不在处理 alarm 的过程中 if(p-alarmhandler 0 || p-alarmhandler ! -1){ // 增加滴答声计数并检查是否达到了 alarmticks如果达到了并且 alarmticks 大于 0就调用 handler p-alarmtickscount; // 如果达到了设定的滴答数且设置了 alarmticks大于 0就调用 handler if(p-alarmtickscount p-alarmticks p-alarmticks 0 ){ p-alarmtickscount 0; // 调用用户设置的 alarm 处理程序 if(!p-inhandler){ // 设置当前正在处理 alarm防止在处理 alarm 的过程中被再次打断调用 handler p-inhandler 1; // 保存被打断时的 trapframe 到 alarm_tf 中以便在 handler 处理完后恢复 memmove(p-alarm_tf, p-trapframe, sizeof(struct trapframe)); // 设置 trapframe 的 epc 为 handler 的地址这样在 usertrapret() 时就会跳转到 handler 处执行 p-trapframe-epc (uint64)p-alarmhandler; } } } yield(); }验收成果xiaobai***:~/xv6-labs-2025$ ./grade-lab-traps alarm make: kernel/kernel is up to date. Test running alarmtest (4.1s) Test alarmtest: test0 alarmtest: test0: OK Test alarmtest: test1 alarmtest: test1: OK Test alarmtest: test2 alarmtest: test2: OK Test alarmtest: test3 alarmtest: test3: OK xiaobai***:~/xv6-labs-2025$