【MIT 6.S081】Lab4: traps

本Lab主要熟悉在trap中系统调用的实现。
笔者用时约4h

概述

首先讲讲我对系统调用时trap的理解，用户程序通过系统调用进入内核态，在汇编代码中的体现就是ecall指令，会把系统调用参数保存在寄存器a7中。
在用户态中执行ecall指令之后，会将pc寄存器的内容复制到sepc中，并将模式转换为监督者模式，且会将stvec复制到pc中。
由于stvec的值为函数uservec（定义在kernel/trampoline.S:37）的地址，故在执行完ecall指令之后，会跳转到uservec函数中。由于ecall指令并没有切换页表的功能，于是在用户页表中必须要维护uservec函数虚拟地址的映射，这也就是trampoline页的功能啦。
在uservec函数中，首先需要将用户态中的所有寄存器内容保存到该用户进程的trapframe中，一开始trapframe的首地址保存在sscratch寄存器中，首先代码将a0寄存器与sscratch寄存器进行交换，然后开始保存所有其他寄存器的值（根据提前规定好的偏移量，定义在kernel/proc.h:44）。然后需要把当前进程trapframe中的一些字段保存到对应的寄存器中，比如kernel_sp保存到sp寄存器之类的。最后需要将该内核页表地址写入satp寄存器中，切换页表为内核页表。这里再一次体现了，内核页表和进程页表共同映射了trampoline页的原因。
uservec函数最后调用了usertrap函数（定义在kernel/trap.c:37中），在该函数中，首先向stvec寄存器写入kernelvec函数（定义在kernel/kernelvec.S中）的地址（因为这个时候在内核态，于是trap由kernelvec函数进行处理），并将当前sepc寄存器中的值保存到trapframe的epc字段中，然后将epc加4，即跳过了ecall指令，指向用户态的下一条指令。然后调用syscall函数进行系统调用的操作。
当syscall函数返回时，会调用usertrapret函数（定义在kernel/trap.c:103中），该函数将uservec重新写入stvec寄存器中，将trapframe中的一些字段设置好，并将模式设置为用户模式，以便处理下一次的用户态trap。最后，将trapframe的地址作为第一个参数（保存在a0中），将用户进程跟页表地址作为第二个参数（保存在a1中），调用userret函数（定义在kernel/trampoline.S:88中）。
在函数userret中，首先切换页表为用户进程页表，且将trapframe页的地址保存到寄存器a0中，然后恢复所有寄存器的值，将原始a0寄存器的值（在系统调用情况下，trapframe中的a0字段被设置为系统调用返回值）放在sscratch寄存器中，最后交换a0寄存器和sscratch寄存器的值，并使用sret指令（将模式变为用户模式，将sepc寄存器中的内容复制到pc寄存器中）回到用户态。

RISC-V assembly

回答一些问题

1. Q: 哪些寄存器保存函数的参数？例如，在main对printf的调用中，哪个寄存器保存13？
   A: 寄存器a0-a7保存函数参数，比如printf的调用中，第一个参数是字符串地址保存在a0中，f(8)+1保存在a1中，13保存在a2中。
2. Q: main的汇编代码中对函数f的调用在哪里？对g的调用在哪里(提示：编译器可能会将函数内联）
   A: 被编译器优化掉了，减少了函数的调用，从li a1, 12可以看出
3. Q: printf函数位于哪个地址？
   A: 0x630, 在call.asm中搜一下就可以看到
4. Q: 在main中printf的jalr之后的寄存器ra中有什么值？
   A: 在main中，printf的jalr指令会将下一条指令的地址（也就是0x38）保存在寄存器ra中，于是jalr之后的寄存器ra中的值为0x38
5. Q: 运行以下代码。

   unsigned int i = 0x00646c72;
   printf("H%x Wo%s", 57616, &i);
   

   程序的输出是什么？
   A: HE110 World
   Q: 输出取决于RISC-V小端存储的事实。如果RISC-V是大端存储，为了得到相同的输出，你会把i设置成什么？是否需要将57616更改为其他值？
   如果是大端存储，那么将i设置为0x726c6400即可，不需要将57616改为其他值
6. Q: 在下面的代码中，“y=”之后将打印什么(注：答案不是一个特定的值）？为什么会发生这种情况？

   printf("x=%d y=%d", 3);
   

   A: y将打印成什么取决于上一次a2寄存器中的内容

Backtrace

这一部分需要实现一个函数backtrace，在调用处打印当前栈中所有栈帧保存的返回地址信息。
那么首先需要获取当前栈帧的帧尾指针fp，根据文档提示，我们可以在文件kernel/riscv.h中添加一个函数进行获取。

// read the frame pointer
static inline uint64
r_fp()
{
   
   
  uint64 x;
  asm volatile(