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高级操作系统——xv6中断调用文档

程序员文章站 2022-06-19 13:25:33
...

1. 什么是用户态和内核态？两者有何区别？什么是中断和系统调用？两者有何区别？计算机在运行时，是如何确定当前处于用户态还是内核态的？

用户态：运用非特权指令，在Linux中特权级为3级，Ring3，最低。不能访问内核态的地址空间包括代码和数据
内核态：能够运用特权和非特权指令（除了访管指令），在Linux中特权级为0级，最高。能访问
例子：
如：用户运行一个程序，该程序创建的进程开始时运行自己的代码，处于用户态。如果要执行文件操作、网络数据发送等操作必须通过write、send等系统调用，这些系统调用会调用内核的代码。进程会切换到Ring0，从而进入内核地址空间去执行内核代码来完成相应的操作。内核态的进程执行完后又会切换到Ring3

可以理解为广义上中断包括系统调用，狭义上分为中断和异常，其中异常又可以分为
Trap：访管指令【此为系统调用】 能中断
Fault：page default
Abort：溢出
当然有些时候可以把系统调用从异常中分离开来单独算作一类
其中对
1：系统调用：由于在程序中使用了请求系统服务的系统调用而引发的过程，通常是有意的
而其他两类通常是无意的。
2：其他两类访问中断符号表后即可进行对应的中断处理程序，而系统调用还需要访问系统调用表

用户态和内核态的特权级不同，因此可以通过特全级判断当前处于用户态还是内核态。
cpu只有通过“门结构”才能由低特权级转移到高特权级

2. 计算机开始运行阶段就有中断吗？XV6 的中断管理是如何初始化的？XV6 是如何实现内 核态到用户态的转变的？XV6 中的硬件中断是如何开关的？实际的计算机里，中断有哪几种？

问题一：

有中断
在xv6中中断为cli和sti
其中汇编语言有BIOS自带的cli和sti,另外在x86.h中有

static inline void
cli(void)
{
  asm volatile("cli");
}

static inline void
sti(void)
{
  asm volatile("sti");
}

可以在汇编层面调用cli和sti，相当于给.c其他文件提供一个封装的接口函数

问题二：

首先中断需要初始化中断描述符表等初始化操作，所以一开始还没有进行需要关闭中断，在bootasm.S:关闭中断
代码为： cli # BIOS enabled interrupts; disable

之后在main,c初始化一系列中断机制

main(void)
{  kvmalloc();      // kernel page table内核页表
  mpinit();        // collect info about this machine 
  lapicinit();
  seginit();       // set up segments
  cprintf("\ncpu%d: starting xv6\n\n", cpu->id);
  picinit();       // interrupt controller 初始化中断控制器
  ioapicinit();    // another interrupt controller初始化中断控制器	
  consoleinit();   // I/O devices & their interruptsIO中断
  uartinit();      // serial port设备端口中断
  pinit();         // process table进程控制表
  tvinit();        // trap vectors初始化中断描述符表
  binit();         // buffer cache
  fileinit();      // file table
  iinit();         // inode cache
  ideinit();       // disk在调度开始前调用idtinit()设置32号时钟中断
  if(!ismp)
    timerinit();   // uniprocessor timer
  startothers();   // start other processors
  kinit2(P2V(4*1024*1024), P2V(PHYSTOP)); // must come after startothers()
  userinit();      // first user process
  // Finish setting up this processor in mpmain.
  mpmain(); //调用scheduler();     // start running processes
}

重点是tvinit，初始化中断描述符表IDT
之后在mpmain()中调用scheduler()
scheduler()会调用sti();将中断打开

所以过程为
1:Bootasm.S 关闭中断
2: main()初始化一系列中断机制【tvinit初始化中断描述符表】
3：npmain()中调用scheduler()，调用sti()开启中断

问题三：初始化的时候，首先通过

xv6在proc.c中的userinit()函数中，通过设置第一个进程的tf(trap frame)中cs ds es ss处于DPL_USER(用户模式) 完成第一个用户态进程的设置

  p->tf->cs = (SEG_UCODE << 3) | DPL_USER;
  p->tf->ds = (SEG_UDATA << 3) | DPL_USER;
  p->tf->es = p->tf->ds;
  p->tf->ss = p->tf->ds;
  p->tf->eflags = FL_IF;
  p->tf->esp = PGSIZE;
  p->tf->eip = 0;  // beginning of initcode.S

之后npmain调用scheduler()，调用 switchuvm§;在scheduler中进行初始化该进程页表、切换上下文等操作，最终第一个进程调用trapret，而此时第一个进程构造的tf中保存的寄存器转移到CPU中，设置了 %cs 的低位，使得进程的用户代码运行在 CPL = 3 的情况下，完成内核态到用户态的转变；

问题四：xv6的硬件中断由picirq.c ioapic.c timer.c中的代码对可编程中断控制器进行设置和管理，比如通过调用ioapicenable控制IOAPIC中断。处理器可以通过设置 eflags 寄存器中的 IF 位来控制自己是否想要收到中断，xv6中通过命令cli关中断，sti开中断；【其实不是很理解】
问题五：中断的种类有：程序性中断：程序性质的错误等，如用户态下直接使用特权指令；外中断: *处理的外部装置引发，如时钟中断；I/O中断: 输入输出设备正常结束或发生错误时引发，如读取磁盘完成；硬件故障中断: 机器发生故障时引发，如电源故障；访管中断: 对操作系统提出请求时引发，如读写文件。

3. 什么是中断描述符，中断描述符表？在 XV6 里是用什么数据结构表示的？

函数在中断(或者异常的时候)需要通过中断描述符确定中断入口程序的地址，而中断描述福的记录则为中断描述符表
Xv6：
首先定义结构体门gatedesc

struct gatedesc {//中断描述符的格式，表示每个变量名只占几位
  uint off_15_0 : 16;   // low 16 bits of offset in segment
  uint cs : 16;         // code segment selector
  uint args : 5;        // # args, 0 for interrupt/trap gates
  uint rsv1 : 3;        // reserved(should be zero I guess)
  uint type : 4;        // type(STS_{TG,IG32,TG32})
  uint s : 1;           // must be 0 (system)
  uint dpl : 2;         // descriptor(meaning new) privilege level
  uint p : 1;           // Present
  uint off_31_16 : 16;  // high bits of offset in segment
};

其中: 16为位域符，表示占多少位，如:16表示占16位，uint其实作用不大
struct gatedesc idt[256];表示有256中断描述符
vectors[]可以理解为中断描述符入口地址的程序指针

之后在trap.c中定义了

struct gatedesc idt[256];//中断描述符表
extern uint vectors[];  // in vectors.S: array of 256 entry pointers入口指针

其中
1:tvinit初始化了IDT
2:idtinit(void)相当于将数组地址载入中断向量表寄存器，硬件能够根据中断向量表寄存器准确找出中断处理程序，实质为调用lidt(idt, sizeof(idt));其中的lidt在x86.h中有定义

static inline void
lidt(struct gatedesc *p, int size)
{
  volatile ushort pd[3];
  pd[0] = size-1;
  pd[1] = (uint)p;
  pd[2] = (uint)p >> 16;
  asm volatile("lidt (%0)" : : "r" (pd));
}

可以理解为ushort容纳不了所有idt的值，所以需要用数组即pd[1],pd2容纳
可以看出来，经过idtinit后,idt转变为了pd,在后面的程序中就不再调用了[我的理解]
而

4. 请以某一个中断（如除零，页错误等）为例，详细描述 XV6 一次中断的处理过程。包括：涉及哪些文件的代码？如何跳转？内核态，用户态如何变化？涉及哪些数据结构等等。

1：首先通过硬件找pd，再找对应的vector【其实有点不明白这个过程】
注意，vector在vector.s里，vector.s并不是直接有的，而是通过vector.pl生成的

print "# generated by vectors.pl - do not edit\n";
print "# handlers\n";
print ".globl alltraps\n";
for(my $i = 0; $i < 256; $i++){
    print ".globl vector$i\n";
    print "vector$i:\n";
    if(!($i == 8 || ($i >= 10 && $i <= 14) || $i == 17)){
        print "  pushl \$0\n";
    }
    print "  pushl \$$i\n";
    print "  jmp alltraps\n";
}

print "\n# vector table\n";
print ".data\n";
print ".globl vectors\n";
print "vectors:\n";
for(my $i = 0; $i < 256; $i++){
    print "  .long vector$i\n";
}

可以看到很print,理解为生成vector.s。
又因为样例中vector0:
#pushl $0
#pushl $0
#jmp alltraps
说明是硬件找到中断描述符对应的vector[i]，再调用对应下面的汇编程序。
注意：在xv6中，简化了这个调用，使其中断处理程序全部指向.globl vectors【但是在正常的系统中，中断描述符对应的程序不一样，如果是系统调用，那么就去找系统调用的程序(找系统调用表然后处理云云)，如果是除0错误等，则进行相关操作】
Alltraps是trapasm.s定义的一个.globl alltraps

#include "mmu.h"
  # vectors.S sends all traps here.
.globl alltraps
alltraps:
  pushl %ds
  pushl %es
  pushl %fs
  pushl %gs
  pushal
  #.global _start    #定义 _start 为外部程序可以访问的标签
  #jmp alltraps跳转到alltraps

  # Set up data and per-cpu segments.
  movw $(SEG_KDATA<<3), %ax#define SEG_KDATA 2  // kernel data+stack
  movw %ax, %ds#movw ax to ds 
  movw %ax, %es
  movw $(SEG_KCPU<<3), %ax
  movw %ax, %fs
  movw %ax, %gs

  # Call trap(tf), where tf=%esp
  pushl %esp
  call trap #call：
  
  子程序调用指令，程序运行到此语句时，调用call后的子程序执行jump是跳转到某处开始执行下面的指令,而call是调用过程,系统会先将寄存器的值放入堆栈,等调用返回时再将堆栈里的值放回寄存器
  addl $4, %esp
  # Return falls through to trapret...
.globl trapret
trapret:
  popal
  popl %gs
  popl %fs
  popl %es
  popl %ds
  addl $0x8, %esp  # trapno and errcode
  iret

可以很明显的看到实质为压栈（用户态）——移动指针地址（转为内核态）——call trap调用trap.c的trap方法——出栈(内核栈化为用户栈)

而在trap方法中：

trap(struct trapframe *tf)
{
if(tf->trapno == T_SYSCALL){// 判断该中断是否为系统调用
}
switch(tf->trapno){
case T_IRQ0 + IRQ_TIMER:
default:
  if(proc == 0 || (tf->cs&3) == 0){//&与操作符00说明在内核态
  }  }}

很长，但是实在为三个部分。
是否是系统调用
是否是用户自定义的中断
其他

注意：其实这个判断按道理在中断描述符那里就判断了，但是xv6简化了程序使其都走jmp alltraps
将硬件的工作转给了软件的工作
至此就完成，总的来说流程为
1：通过硬件访问pd,找到vector.s中对应的中断处理程序vector[i]
2：执行中断处理程序#jmp alltraps，即执行trapasm.s
3：执行 call trap，即trap.c的trap()函数

5. 请以系统调用 setrlimit （该系统调用的作用是设置资源使用限制）为例，叙述如何在 XV6中实现一个系统调用。（提示：需要添加系统调用号，系统调用函数，用户接口等等）。

1：首先在syscall.h中定义系统调用函数的头文件
#define SYS_fork 1
2：之后在syscall.c中定义extern 函数和*syscalls[])(void增加函数指针

extern int sys_chdir(void);
----------
//对应sysproc.c里面的函数
static int (*syscalls[])(void) = {
[SYS_fork]    sys_fork,
-----
};

加入系统调用的函数和数组内容 int (*syscalls[])(void)可以理解成一个函数数组指针，不能有参数(void) [SYS_fork]实质上是宏定义对应[1]
3：之后在sysproc.c中创建函数体，指明要执行的操作
4：最后在user.h中将此函数呈现给用户

思考：那么系统调用的参数哪里来呢
因为int (*syscalls[])(void)是无参数的，所以不能用函数参数进行传递
可以看到argstr argptr argint中找到参数，相当于在系统调用中利用堆栈和存储器的值来作为参数【可以将参数压入堆栈，通过堆栈指针取出】并且我们也可以从 sysproc.c调用argstr argptr argint获得参数来验证我们的想法

引申xv6的初始过程

在源代码中，XV6系统的启动运行轨迹如图。系统的启动分为以下几个步骤：

  1. 首先，在bootasm.S中，系统必须初始化CPU的运行状态。具体地说，需要将x86 CPU从启动时默认的Intel 8088 16位实模式切换到80386之后的32位保护模式；然后设置初始的GDT(详细解释参见https://wiki.osdev.org/Global_Descriptor_Table)，将虚拟地址直接按值映射到物理地址；最后，调用bootmain.c中的bootmain()函数。
  2. bootmain()函数的主要任务是将内核的ELF文件从硬盘中加载进内存，并将控制权转交给内核程序。具体地说，此函数首先将ELF文件的前4096个字节（也就是第一个内存页）从磁盘里加载进来，然后根据ELF文件头里记录的文件大小和不同的程序头信息，将完整的ELF文件加载到内存中。然后根据ELF文件里记录的入口点，将控制权转交给XV6系统。
  3. entry.S的主要任务是设置页表，让分页硬件能够正常运行，然后跳转到main.c的main()函数处，开始整个操作系统的运行。
  4. main()函数首先初始化了与内存管理、进程管理、中断控制、文件管理相关的各种模块，然后启动第一个叫做initcode的用户进程。至此，整个XV6系统启动完毕。

总的来说为 bootasm.S bootmain() entry.S main()

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