MIT 6.S081 lab4：traps | 陷入

lab4 - traps

前置准备

主要内容为探索陷阱处理机制。

根据课程官网的要求，需要阅读完教材的第四章\(Page \space tables\)。并且读懂下列源代码：kernel/memlayout.h, kernel/vm.c, kernel/kalloc.c, kernel/riscv.h, user/exec.c。

相关笔记参考: lecture 4 Notes

将pgtbl分支所有内容都上传仓库后，执行下列命令来切换分支 

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git fetch
git checkout traps
make clean

此外，新建一个traps_dev分支来进行实际实验。

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git checkout -b traps_dev

在traps_dev中每通过一个作业的测试，提交（git commit）你的代码，并将所做的修改合并（git merge）到util中，然后提交（git push）到github。

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git add .
git commit -m "xxxxxxxx"
git checkout traps
git merge traps_dev
git push github traps:traps

RISC-V assembly

在本部分中将给出一段 RISC-V 汇编代码，通过阅读代码我们要回答几个问题，并把答案存储在主目录下的 answers-traps.txt下。

运行 make fs.img后会编译user/call.c, 并生成user/call.asm。我们需要观察call.asm下的g、f、main函数。

RISC-V 参考文档：RISC-V unprivileged instructions RISC-V privileged instructions

哪些寄存器包含函数的参数？例如，在 main 调用 printf 时，哪个寄存器保存 \(13\)？

查阅Calling conventions手册，可以发现 \(a_0 \rightarrow a_7\)为函数参数和返回值寄存器。

RISC-V常用寄存器及使用约定

13属于第三个参数(第一个为format string，第二个为f(8) + 1)。所以存储在\(a_2\)寄存器中。

在 main 的汇编代码中，函数 f 的调用在哪里？对 g 的调用在哪里？ 提示：编译器可能会内联函数）。

我们先分析一下g()的汇编代码。 

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int g(int x) {
   0:	1141                	addi	sp,sp,-16
   2:	e406                	sd	ra,8(sp)
   4:	e022                	sd	s0,0(sp)
   6:	0800                	addi	s0,sp,16
    return x + 3;
}
   8:	250d                	addiw	a0,a0,3
   a:	60a2                	ld	ra,8(sp)
   c:	6402                	ld	s0,0(sp)
   e:	0141                	addi	sp,sp,16
  10:	8082                	ret
首先将栈顶指针sp往下移动16字节，等价与要入栈两个元素。将ra，即caller进程的pc值，存入栈的第一个位置。将s0，即caller进程的其他寄存器保存地址，存放到第二个位置。

然后将a0的值加3，存储到a0寄存器中。然后从栈中恢复ra和s0的地址，此时CPU能返回原进程继续执行。然后ret指令将a0复制给原进程，即返回值。

f()函数和g()大同小异，只是编译器将return g(x)直接展开为x + 3了。

main函数中可以看到，直接将12写入a1，直接将13写入a2。所以推测直接将f(8) + 1计算在编译器计算出来，当常数写入了。

printf 函数位于哪个地址？

可以看到jalr跳转到了ra + 1544的地址，也就是0x640的地方。所以printf应该在这个位置。

在 jalr 跳转至 main 函数的 printf 时，寄存器 ra 中有什么值？

当程序进行跳转时，我们需要将 ra 寄存器存储的返回地址指向 printf 执行结束后返回到主程序的位置，也就是当前位置 PC 加 4，也就是 0x38

Backtrace (moderate)

Statement

在调试过程中，回溯通常很有用：在发生错误时，堆栈上的函数调用列表。

在 kernel/printf.c 中实现一个 backtrace() 函数。在 sys_sleep 中插入对该函数的调用，然后运行 bttest，调用 sys_sleep。输出结果如下

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backtrace:
0x0000000080002cda
0x0000000080002bb6
0x0000000080002898

bttest 之后退出 qemu。在终端中：地址可能略有不同，但如果运行 addr2line -e kernel/kernel（或 riscv64-unknown-elf-addr2line -e kernel/kernel）并剪切粘贴上述地址，则如下所示： 

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$ addr2line -e kernel/kernel
  0x0000000080002de2
  0x0000000080002f4a
  0x0000000080002bfc
  Ctrl-D
应该查阅类似下面的内容：kernel/sysproc.c:74、kernel/syscall.c:224、kernel/trap.c:85。

Hints

  • 在 kernel/defs.h 中添加 backtrace 原型，以便在 sys_sleep 中调用 backtrace。
  • GCC 编译器会将当前执行函数的帧指针存储在寄存器 s0 中。将以下函数添加到 kernel/riscv.h, 并在回溯中调用该函数来读取当前帧指针。该函数使用内联汇编读取 s0。 
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    static inline uint64
    r_fp()
    {
      uint64 x;
      asm volatile("mv %0, s0" : "=r" (x) );
      return x;
    }
  • 这些讲义中有一张堆栈帧布局的图片。返回地址位于堆栈帧的帧指针的固定偏移量（-8）处，而保存的帧指针位于帧指针的固定偏移量（-16）处。
  • Xv6 为 xv6 内核中的每个堆栈分配一个 PAGE 对齐地址的页面。您可以使用 PGROUNDDOWN(fp) 和 PGROUNDUP(fp) 计算堆栈页面的顶部和底部地址（参见 kernel/riscv.h）。

Analysis & Solution

前两个提示说的很明白了，这里就跳过。

首先读出s0寄存器的值，即当前函数的栈指针。然后用类似链表遍历的方式，每次输出return address的值，然后移动到prev frame继续遍历即可。

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void backtrace(void) {
    printf("backtrace:\n");
    uint64 fp = r_fp();
    while (fp != PGROUNDUP(fp)) {   // until get to stack bottom
        // get return addr in current stack frame
        uint64 ra = *(uint64*)(fp - 8);
        printf("%p\n", ra);
        // go to prev stack frame
        fp = *(uint64*)(fp - 16);
    }
}

然后在sys_sleep()和panic()中调用backtrace。

运行结果。

Alarm (Hard)

咕咕咕先。说实话，题目我都没看懂().

大概就是实现 \(CPU\) 计时器，当一个进程使用 \(CPU\) 资源的时候，周期性的发出一个警告，类似于时间片轮转算法的简化版本。感觉没十几个小时弄不完，等有生之年吧。

6.S081
#6.S081
MIT 6.S081 lab4：traps | 陷入
https://acmicpc.top/2024/02/29/MIT-6.S081-lab04/
作者
江欣婷
发布于
2024年2月29日
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