XV6操作系统：trap机制学习笔记

参考：CSAPP 第8章

pleasewhy/xv6-book-2020-Chinese: MIT 6.S801 xv6 book 2020版中文翻译第4章

ECF(Exceptional Control Flow) 异常控制流

ECF是实现I/O、进程、虚拟内存的基本机制
应用程序通过ECF与操作系统进行交互，分为trap和system call系统调用，在xv6中被统称为trap。通过ECF来向操作系统请求服务。
理解ECF，就明白怎么调用C API，进而可以写各种各样的程序
ECF是操作系统中实现并发的基本机制，这种形式在简单的嵌入式程序中被称作中断。
ECF也可以实现应用程序的报错信息响应

总之，ECF是非常强大的系统功能。

1.异常

当CPU检测到异常出现的时候，无论是硬件的还是软件的，操作系统会根据既有的异常表exception table来跳转到各种异常处理程序exception handler。

异常分为四类

中断interrupt、陷阱trap、故障fault、终止abort

|--------|-----------|-----------|------------|------------------------|
| 类别 | 原因 | 异步/同步 | 返回行为 | 举例 |
| 中断 | 来自IO设备的信号 | 异步 | 总是返回到下一条指令 | reset按键 |
| 陷阱 | 有意的异常 | 同步 | 总是返回到下一条指令 | open系统调用 |
| 故障 | 潜在可恢复的错误 | 同步 | 可能会返回到当前指令 | page fault不一定是真的错误 |
| 终止 | 不可恢复的错误 | 同步 | 不会返回 | Data abort 非法指针访问（野指针） |

1.1中断

中断无时无刻都在发生，时钟中断非常频繁，键盘输入也是。中断恢复后，根本没有任何问题。完全是一种健康的机制。

1.2陷阱和系统调用

trap和syscall，用户经常要向操作系统请求服务，看起来和中断没什么区别。区别在于，其中cpu的状态发生了转变，从用户态到核心态再恢复到用户态。

Trap 是一种由软件指令有意触发的异常。它是 CPU 从用户模式（权限低）切换到内核模式（权限最高）的专用通道。Trap 也被称为软件中断 (Software Interrupt)。

system call系统调用是操作系统（OS）提供给应用程序的标准化接口。它是程序向操作系统请求服务的唯一合法途径。printf就是最常见的系统调用，通过write实现。

常见的系统调用任务：

文件操作：打开、读取、写入、关闭（open, read, write, close）。
进程控制：创建一个新进程、终止当前进程（fork, exit）。
网络通信：发送或接收网络数据包。
设备管理：请求使用摄像头、打印机等。

linux的系统调用可以参考：

https://www.chromium.org/chromium-os/developer-library/reference/linux-constants/syscalls/

1.3故障

由当前指令引起，但硬件认为还有救，操作系统尝试修复。修复成功则重新执行当前指令；修复失败则转为终止（Abort）。

1.4终止

程序或系统直接崩溃（蓝屏或段错误），直接被踢出运行队列。如硬件损坏、严重的内存访问冲突。

2.risc-v如何处理trap

2.1 名词解释

|---------------------|-------------------------------------------------------------------------|----------------------------------|-----------------------------------------------------------------------------|
| stvec | Supervisor Trap Vector，trap向量表 | ecall | Environment Call，环境调用指令 |
| sepc | Supervisor Exception Program Counter，异常计数器 | SIE | Supervisor Interrupt Enable，中断标志位 |
| scause | Supervisor Cause，记录trap原因 | MPP | Machine Previous Privilege，机器模式下SPP状态位 |
| sscratch | Supervisor Scratch，方便trap发生后恢复环境 | SPP | Supervisor Previous Privilege，记录Trap发生前，cpu的状态 |
| sstatus | Supervisor Status，记录trap时系统状态 | hartid | Hardware Thread ID，CPU id |
| sret | Supervisor Return，汇编指令 | trapframe | 陷阱帧，用来在 Trap 刚发生时，保存事故现场信息 |
| pc | 程序计数器，当前程序运行到内存的哪个地址了 | PTE | Page Table Entry，页表的最小单位 |
| satp | Supervisor Address Translation and Protection | TLB | Translation Lookaside Buffer，MMU的一级cache |
| trampoline | 跳板页，用户页表和内核页表映射到了完全相同的虚拟地址 | page-fault | 缺页异常，页表中找不到时发生的错误 |
| COW | Copy-On-Write, 写时复制 | uservec / usertrap / userret | uservec 是汇编入口，负责保存寄存器并切换页表；usertrap 是 C 语言，决定如何响应；userret 则是恢复环境、返回用户空间的出口。 |
| lazy allocation | 延迟分配，应对程序贪婪要内存的策略。内核先在页表打个无效标记，等程序真正去访问这块内存（触发 page-fault）时，才动真格分配物理内存 | | |

2.2 寄存器功能

stvec：内核在这里写下 trap 处理程序的地址；RISC-V 到这里来处理 trap。
sepc ：当 trap 发生时，RISC-V 会将程序计数器保存在这里（因为 PC 会被 stvec 覆盖）。sret (从 trap 中返回)指令将 sepc 复制到 pc 中。内核可以写 sepc 来控制 sret的返回到哪里。
scause：RISC -V 在这里放了一个数字，描述了 trap 的原因。
sscratch：内核在这里放置了一个值，这个值会方便 trap 恢复/储存用户上下文。
sstatus : sstatus 中的 SIE 位控制设备中断是否被启用，如果内核清除 SIE ，RISCV 将推迟设备中断，直到内核设置 SIE 。如果内核清除 SIE ，RISC-V 将推迟设备中断，直到内核设置 SIE 。SPP 位表示 trap 是来自用户模式还是监督者模式，并控制sret返回到什么模式。

2.3 trap处理流程

当需要执行 trap 时，RISC-V 硬件对所有的 trap 类型（除定时器中断外）进行以下操作：

如果该 trap 是设备中断，且 sstatus SIE位为 0，则不要执行以下任何操作。
通过清除 SIE 来禁用中断。
复制 pc 到 sepc
将当前模式(用户或监督者)保存在 sstatus 的 SPP位。
在 scause设置该次 trap 的原因。
将模式转换为监督者。
将 stvec复制到 pc。
执行新的 pc

2.4 举例

以下为write的一次完整系统调用。

解析trampoline.S文件，参见kernel.ld链接文件，可以知道物理内存地址开始于0x80000000，接下来是.text段。这段相当于text段中特殊化了trampoline段

trampoline实际上的功能就是在用户态与内核态切换时，会发生用户虚拟页表 、内核虚拟页表的切换。trampoline是变化中的不变，这样才能保证内存不跑飞。它在两个表中都指向同一个物理地址。

uservec是用户态到内核态的切换，保存寄存器内容到内存（trapframe）
userret是内核态到用户态的切换，从内存（trapframe）恢复寄存器

以下为完整的write流程说明：

trampoline就像小孩蹦床一样，让操作系统在用户态和内核态之间安全的反复横跳。其他的系统调用都是类似的。