xv6内核源码解析trap.c

本文主要是介绍xv6内核源码解析trap.c，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！

基于实验4，我们先熟悉一下kernel/trap.c中的部分代码

可能需要使用到的文件：

/kernel
- trap.c (important)
- plic.c
- memlayout.h
- kernel.asm （这个需要编译之后才有，可能会用到，这个整个kernel编出来的汇编）
- kalloc.c
- vm.c
- syscall.h
- kernelvec.S
- riscv.h （important）
- trampoline.S (important)

这是地址：lab_analysis/lab4/4.1 · Prim./mit6.S086 - 码云 - 开源中国 (gitee.com)

为了方便我把整个实验代码都搬过去了，在windows下来看会方便一点，主要是招函数比较方便。要是觉得麻烦直接看博客也行，不过我觉得对着来看效果会好一点

ok 我们直接开始

#include "types.h"
#include "param.h"
#include "memlayout.h"
#include "riscv.h"
#include "spinlock.h"
#include "proc.h"
#include "defs.h"// 一个自旋锁
struct spinlock tickslock;
// 时钟滴答
uint ticks;// 这些其实都可以理解为一个函数指针，在 trampoline.S中
// trampoline 
// uservec      内部调用userret
// userret      返回用户态的最后一步
extern char trampoline[], uservec[], userret[];// in kernelvec.S, calls kerneltrap().
// 先将当前cpu中进程的上下文进行保存
// 调用kerneltrap
// 加载内核的上下文
void kernelvec();// 处理硬件中断
extern int devintr();void
trapinit(void)
{initlock(&tickslock, "time");
}// set up to take exceptions and traps while in the kernel.
void
trapinithart(void)
{// stvec寄存器：内核会将中断处理程序的位置写在这里// 然后RISC-V硬件就会跳到相应指令的地址执行对应的处理程序。// 这里将kernelvec函数的位置写到stvec中，进行上下文切换w_stvec((uint64)kernelvec);
}//
// handle an interrupt, exception, or system call from user space.
// called from trampoline.S
//
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.// 将中断处理程序加载stvec中，以便后续RISC-V硬件处理w_stvec((uint64)kernelvec);struct proc *p = myproc();// spec()寄存器：当一个陷入出现时，RISC-V会将程序计算器保存在这里// 因为pc等一下将会被stvec改写。sret指令（从陷入中返回）会将sepc中的值// 复制到pc中// 内核能够将向spec中写入数据以便控制sret跳转的位置// save user program counter.// 这个trapframe page和trampoline page是所有进程共享的，映射在进程地址空间的高地址p->trapframe->epc = r_sepc();// 开始判断中断的类型if(r_scause() == 8){// system callif(p->killed)exit(-1);// sepc points to the ecall instruction,// but we want to return to the next instruction.// ecall是用户态陷入内核态需要执行的指令，// 也就是说ecall是一个介于用户态和内核态之间的指令，所以// 当进行上下文切换的时候，ecall是前一个上下文最后执行的指令// 也是后一个上下文开始执行的第一条指令// 注意：这里的上下文件仅仅限于用户态陷入内核态，进程调度的我们另做讨论p->trapframe->epc += 4;// an interrupt will change sstatus &c registers,// so don't enable until done with those registers.// 打开硬件中断intr_on();//  // enable device interrupts//  static inline void//   intr_on()//  {//    w_sstatus(r_sstatus() | SSTATUS_SIE);//  }// 执行对应的系统调用syscall();} else if((which_dev = devintr()) != 0){// 硬件中断，这里应该是需要我们来补充// ok} else {// 当不是硬件中断也不是系统调用的时候，只能是异常了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.// 时间中断是由一个时钟硬件产生的，通电会发出固定频率的信号，// 我们称之为时钟滴答 tick// 但是时钟中断又不同于硬件中断，这个我们后期会讲到if(which_dev == 2)yield();  // 所以这个yield()我们也先跳过 ^_^// 执行结束在返回用户态之前，需要恢复之前用户进程的上下文// 这个往下面看usertrapret();
}//
// return to user space
//
void
usertrapret(void)
{struct proc *p = myproc();// we're about to switch the destination of traps from// kerneltrap() to usertrap(), so turn off interrupts until// we're back in user space, where usertrap() is correct.// 注释的意思：我们将要切换到陷入的终点，// 从kerneltrap到usertrap，所以需要关闭中断直到我们真正返回用户空间// 这里怎么理解呢？// 我是这么理解的，如果在进行切换的过程中（将进程的寄存器状态从// tramframe page 中恢复到cpu寄存器内的这个过程），发生了中断// 这时候，当前cpu一部分是属于内核的，一部分是属于用户态进程的，// 这个我记得小书上又讲，大家可以去翻一下（好吧，书上貌似也没讲）// 与上面的intr_on()相反这里是禁止中断intr_off();// send syscalls, interrupts, and exceptions to trampoline.S// 设置中断向量表的操作：// (uservec - trampoline) 是指uservec相对trampoline的偏移// 因为程序的指令都是存放在指令区，与程序运行时的数据是分隔开来的// 而TRAMPOLINE是一个进程中trampoline的起始地址（虚拟/物理，因为是直接映射的）// 所以 (TRAMPOLINE +(uservec - trampoline)) 计算得出来的是// uservec 的虚拟地址，也就是保存在共享trampoline page 中的地址w_stvec(TRAMPOLINE + (uservec - trampoline));// 内核页表设置trampoline page//  vm.c/kvminit()//  kvmmap(TRAMPOLINE, (uint64)trampoline, PGSIZE, PTE_R | PTE_X);// 用户页表设置trampoline page 和 tramframe page//  proc.c/proc_pagetable(struct proc *p)//  if(mappages(pagetable, TRAMPOLINE, PGSIZE,//            (uint64)trampoline, PTE_R | PTE_X) < 0){//  if(mappages(pagetable, TRAPFRAME, PGSIZE,//            (uint64)(p->trapframe), PTE_R | PTE_W) < 0){// set up trapframe values that uservec will need when// the process next re-enters the kernel.// 为下一次陷入做准备，小书上有写// stap寄存器的作用？// stap寄存器主要是给MMU使用，stap寄存器保存了页表的基地址，// MMU通过stap可以找到第一级页表，进而找到物理地址。// MMU memory manage util 内存管理单元p->trapframe->kernel_satp = r_satp();         // kernel page tablep->trapframe->kernel_sp = p->kstack + PGSIZE; // process's kernel stack// 指向最开始的trap handlerp->trapframe->kernel_trap = (uint64)usertrap;// cpu的序号p->trapframe->kernel_hartid = r_tp();         // hartid for cpuid()// set up the registers that trampoline.S's sret will use// to get to user space.// set S Previous Privilege mode to User.// 恢复陷入前的cpu模式并打开中断unsigned long x = r_sstatus();x &= ~SSTATUS_SPP; // clear SPP to 0 for user modex |= SSTATUS_SPIE; // enable interrupts in user modew_sstatus(x);// set S Exception Program Counter to the saved user pc.w_sepc(p->trapframe->epc);// tell trampoline.S the user page table to switch to.// 暂时还看不懂这个位运算的意思，不过// 大概意思就是算出了这个页表的物理地址，从下面就能够看出来uint64 satp = MAKE_SATP(p->pagetable);// #define SATP_SV39 (8L << 60)// #define MAKE_SATP(pagetable) (SATP_SV39 | (((uint64)pagetable) >> 12))// jump to trampoline.S at the top of memory, which // switches to the user page table, restores user registers,// and switches to user mode with sret.// 这个和上面的uservec的原理一样// 不过上面的指令是store，这个函数的指令是load，将原先的// 上下文加载会cpu中，跟陷入的是差不多的，很好理解uint64 fn = TRAMPOLINE + (userret - trampoline);((void (*)(uint64,uint64))fn)(TRAPFRAME, satp);
}// interrupts and exceptions from kernel code go here via kernelvec,
// on whatever the current kernel stack is.
void 
kerneltrap()
{// 先将寄存器的状态保存以下，因为可能会发生时钟中断// 时钟中断好像是要将它抽象为软件中断才能进行禁止// 这个我们后面的实验再说int which_dev = 0;uint64 sepc = r_sepc();uint64 sstatus = r_sstatus();uint64 scause = r_scause();// 前置判断，特权级检查和中断开关检查if((sstatus & SSTATUS_SPP) == 0)panic("kerneltrap: not from supervisor mode");if(intr_get() != 0)panic("kerneltrap: interrupts enabled");if((which_dev = devintr()) == 0){// 异常printf("scause %p\n", scause);printf("sepc=%p stval=%p\n", r_sepc(), r_stval());panic("kerneltrap");}// give up the CPU if this is a timer interrupt.if(which_dev == 2 && myproc() != 0 && myproc()->state == RUNNING)yield();// the yield() may have caused some traps to occur,// so restore trap registers for use by kernelvec.S's sepc instruction.w_sepc(sepc);w_sstatus(sstatus);
}/*** * 现在我们不能看出，从用户态中断和从内核态中断的差别* 简直就是天差地别，* 因为从用户态陷入，需要进行上下文切换，这个动作* 而陷入本就是在内核中处理，而且系统调用又不会从* 内核中引发，所以相对而言会简单许多* 
*/// 时钟中断的东西，现在简单看看就好，
// 循序渐进
void
clockintr()
{acquire(&tickslock);ticks++;wakeup(&ticks);release(&tickslock);
}// 最后一个硬件中断，搞完就下班，真顶不住了// check if it's an external interrupt or software interrupt,
// and handle it.
// returns 2 if timer interrupt,
// 1 if other device,
// 0 if not recognized.
int
devintr()
{// 简单不解释uint64 scause = r_scause();if((scause & 0x8000000000000000L) &&(scause & 0xff) == 9){// this is a supervisor external interrupt, via PLIC.// irq indicates which device interrupted.// plic -> platform level interrupt controller// 平台级中断控制器// 从中断控制器中获知当前产生中断的设备是什么// 需要调用什么样的中断处理程序int irq = plic_claim();   // plic.c// memlayout.h// #define PLIC_SCLAIM(hart) (PLIC + 0x201004 + (hart)*0x2000)// plic.c// ask the PLIC what interrupt we should serve.//  int//  plic_claim(void)//  {//    int hart = cpuid();//    int irq = *(uint32*)PLIC_SCLAIM(hart);//    return irq;//  }// 根据不同的中断调用不同的中断处理程序if(irq == UART0_IRQ){ uartintr();   // uart 通用非同步收发传输器} else if(irq == VIRTIO0_IRQ){virtio_disk_intr(); // 这个应该是磁盘设备} else if(irq){printf("unexpected interrupt irq=%d\n", irq); // 未能识别，没有注册的设备}// the PLIC allows each device to raise at most one// interrupt at a time; tell the PLIC the device is// now allowed to interrupt again.if(irq)plic_complete(irq);return 1;} else if(scause == 0x8000000000000001L){// 软件中断，有关时钟中断我们之后还会再讲到// software interrupt from a machine-mode timer interrupt,// forwarded by timervec in kernelvec.S.if(cpuid() == 0){clockintr();}// acknowledge the software interrupt by clearing// the SSIP bit in sip.w_sip(r_sip() & ~2);return 2;} else {return 0;}
}