三种使CPU暂停指令转而执行内核代码的事件:
1.系统调用 ecall
2.exception指令异常
3.设备interrupt
统称为trap
xv6的trap处理分为四个阶段:RISC-V CPU硬件行为,C代码前的汇编指令,处理trap的C函数,系统调用或设备驱动服务路线
处理陷入的内核代码被称为handler ,其中的首批指令通常用汇编语言编写,有时被称为vector
RISC-V trap machinery
每个RISC-V CPU都有一系列硬件控制寄存器,下面列举其中重要的几个:
- stvec(Supervisor Trap Vector Base Address Register) 内核将其trap handler写在这里,RISC-V跳转到stvec中的地址处理陷入(从用户态陷入:uservec;从内核态陷入:kernelvec)
- sepc(Supervisor Exception Program Counter) 陷入发生时,RISC-V将pc存在这里,从陷入返回时将sepc复制给pc
- scause 描述陷入的原因
- sscratch(Supervisor Scratch Register) 帮助避免在保存用户寄存器前覆盖它们
- sstatus :SIE bit 设备中断是否启用;SPP bit trap来自user mode/supervisor mode
- satp(Supervisor Address Translation and Protection) 包含了指向page table的物理内存地址
Traps from user space
代码流程:
trampoline.S/uservec -> trap.c/usertrap() -> trampoline.S/userret
xv6中,uservec执行时,要存储32个寄存器的值,此时没有空闲的寄存器
RISC-V提供了寄存器sscratch,下面代码表示a0 获得 sscratch 中预先存放的 TRAPFRAME 地址,sscratch 保存了用户态的 a0 值
assembly
# save user a0 in sscratch so
# a0 can be used to get at TRAPFRAME.
csrw sscratch, a0
uservec和userret用汇编语言写的原因是很难用C语言保存所有寄存器的值,以及在切换页表时使C代码继续生效
Code: System call arguments
有些系统调用需要指针参数来读写用户内存,为防止用户指令传递恶意地址指针,xv6实现了一系列确保指针安全传递的函数
e.g. syscall.c/fetchstr()调用了vm.c/copyinstr(),后者调用walkaddr()确保传递的虚拟地址在用户页表中可用
Traps from kernel space
代码流程:
kernelvec.S -> trap.c/kerneltrap() -> kernelvec.S
Real world
现实中部分操作系统会将内核内存映射到每个进程的用户页表,这样可以省去用户态到内核态的页表切换;系统调用的实现也可以利用当前进程的用户页表而直接解引用用户指针。