計算機操作系統(tǒng)實驗指導(dǎo)-基于RISC-V代理內(nèi)核 課件 第三章實驗1：系統(tǒng)調(diào)用、異常和外部中斷

基于RISC-V代理內(nèi)核的操作系統(tǒng)課程實驗與課程設(shè)計第三章．實驗1：系統(tǒng)調(diào)用、異常和外部中斷

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實驗1的基礎(chǔ)知識RISC-V程序的編譯和鏈接指定符號的邏輯地址代理內(nèi)核的構(gòu)造過程代理內(nèi)核的啟動過程ELF文件（app）的加載過程spike的HTIF接口實驗內(nèi)容lab1_1系統(tǒng)調(diào)用lab1_2異常處理lab1_3（外部）中斷3.1實驗1的基礎(chǔ)知識RISC-V程序編譯主要過程：預(yù)處理：展開頭文件、宏替換、條件編譯、刪除注釋等等；編譯：語法檢查；匯編：將匯編文件翻譯成機器碼（二進制文本），生成目標文件；鏈接：將所有的目標文件打包鏈接成一個可執(zhí)行文件。RISC-V程序的編譯過程指定符號的邏輯地址使用鏈接腳本，例如：OUTPUT_ARCH("riscv")ENTRY(main)SECTIONS{.=0x81000000;.=ALIGN(0x1000);.text:{*(.text)}.=ALIGN(16);.data:{*(.data)}.=ALIGN(16);.bss:{*(.bss)}}代理內(nèi)核的構(gòu)造（build）過程采用makefile，簡化構(gòu)造過程，此處摘取makefile的一部分。KERNEL_TARGET=$(OBJ_DIR)/riscv-pkeUSER_TARGET:=$(OBJ_DIR)/app_helloworld……$(KERNEL_TARGET):$(OBJ_DIR)$(UTIL_LIB)$(SPIKE_INF_LIB)$(KERNEL_OBJS)$(KERNEL_LDS)@echo"linking"$@...@$(COMPILE)$(KERNEL_OBJS)$(UTIL_LIB)$(SPIKE_INF_LIB)-o$@-T$(KERNEL_LDS)@echo"PKEcorehasbeenbuiltinto"\"$@\“…….DEFAULT_GOAL:=$(all)all:$(KERNEL_TARGET)$(USER_TARGET).PHONY:all代理內(nèi)核的構(gòu)造（build）過程構(gòu)造過程可概括為：構(gòu)造util目錄下的靜態(tài)庫文件$(OBJ_DIR)/util.a；構(gòu)造應(yīng)用程序，得到$(OBJ_DIR)/app_helloworld；構(gòu)造$(OBJ_DIR)/spike_interface.a，即spike所提供的工具庫文件；最后構(gòu)造代理內(nèi)核$(OBJ_DIR)/riscv-pke。代理內(nèi)核的啟動過程采用spike模擬器（執(zhí)行命令）：spike./obj/riscv-pke./obj/app_helloworld啟動具體過程：在M態(tài)執(zhí)行一系列初始化動作（如HTIF）；將中斷異常處理“代理”給S態(tài)，進入S態(tài)；加載程序到內(nèi)存，將程序封裝成一個最簡單的“進程”，然后調(diào)度執(zhí)行，同時進入U態(tài)。ELF文件（app）的加載過程大致過程為：首先，解析命令行參數(shù)，獲得需要加載的ELF文件文件名；接下來初始化ELF加載數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并打開即將被加載的ELF文件；加載ELF文件；通過ELF文件提供的入口地址設(shè)置進程的“入口地址”，保證“返回”用戶態(tài)的時候，所加載的ELF文件被執(zhí)行；關(guān)閉ELF文件并返回。spike的HTIF接口

HTIF原理示意圖HTIF（HostTargetInterface）是一種通信協(xié)議，負責主機與代理內(nèi)核的通信。主要功能：讀/寫內(nèi)存、加載/啟動/停止程序等等。中斷處理例程當發(fā)生一個目標模式為機器模式的中斷，RISC-V處理器硬件將執(zhí)行以下動作：1）保存pc到mepc寄存器；2）將特權(quán)級保存到mstatus寄存器的MPP字段；3）將mstatus寄存器中的MIE字段保存到（它自己的）MPIE字段；4）設(shè)置mcause，其值與中斷向量表中的Interrupt和Exceptioncode對應(yīng)；5）將pc設(shè)置為中斷例程的入口，如果為直接模式則設(shè)置為mtvec的值；6）將mstatus寄存器的MIE字段清零，轉(zhuǎn)入機器模式。中斷處理例程注：在PKE實驗中，系統(tǒng)的中斷實際上是代理給監(jiān)管模式處理的，在發(fā)生中斷時處理器硬件的流程與以上的機器模式類似，只是mepc、mstatus、mcause以及mtvec換成了sepc、sstatus、scause以及stvec。典型的中斷處理過程.align6.globalhandler_interrupthandler_interrupt:addisp,sp,-32*REGBYTESSTOREx1,1*REGBYTES(sp)...STOREx31,31*REGBYTES(sp)//callCcodehandlercallsoftware_handler//finishedinterrupthandling,readytoreturnLOADx1,1*REGBYTES(sp)...LOADx31,31*REGBYTES(sp)addisp,sp,32*REGBYTESmret注：處理器在執(zhí)行mret指令時，將執(zhí)行以下動作：1）將mstatus寄存器的MPIE字段恢復(fù)到該寄存器的MIE字段；2）處理器轉(zhuǎn)換到mstatus寄存器中MPP字段所對應(yīng)的特權(quán)模式；3）將mepc中的內(nèi)容恢復(fù)到pc中。

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實驗1的基礎(chǔ)知識RISC-V程序的編譯和鏈接指定符號的邏輯地址代理內(nèi)核的構(gòu)造過程代理內(nèi)核的啟動過程ELF文件（app）的加載過程spike的HTIF接口實驗內(nèi)容lab1_1系統(tǒng)調(diào)用lab1_2異常處理lab1_3（外部）中斷l(xiāng)ab1_1系統(tǒng)調(diào)用給定應(yīng)用預(yù)期輸出lab1_1系統(tǒng)調(diào)用實驗內(nèi)容：給定應(yīng)用沒有實現(xiàn)預(yù)期效果，即在屏幕上打印“Helloworld!\n”。實驗代碼中syscall沒有被調(diào)用，找到并完成對do_syscall的調(diào)用，獲得預(yù)期的輸出結(jié)果。lab1_2異常處理給定應(yīng)用預(yù)期輸出lab1_2異常處理實驗內(nèi)容：（在用戶U模式下執(zhí)行的）應(yīng)用企圖執(zhí)行RISC-V的特權(quán)指令csrwsscratch,0。該指令會修改S模式的棧指針，如果允許該指令的執(zhí)行，執(zhí)行的結(jié)果可能會導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。通過調(diào)用handle_illegal_instruction函數(shù)完成異常指令處理，阻止app_illegal_instruction的執(zhí)行。lab1_3（外部）中斷給定應(yīng)用預(yù)期輸出lab1_3（外部）中斷實驗內(nèi)容：給定的程序在運行過程中受到了系統(tǒng)的外部時鐘中斷（timerirq）的“干擾”。而我們在這個實驗中給出的PKE操作系統(tǒng)內(nèi)核，在時鐘中斷部分并未完全做好，導(dǎo)致（模擬）RISC-V機器碰到第一個時鐘中斷后就會出現(xiàn)崩潰。完成PKE操作系統(tǒng)內(nèi)核未完成的時鐘中斷處理過程，使得它能夠完整地處理時鐘中斷。lab1_challenge1打印用戶程序調(diào)用棧給定應(yīng)用預(yù)期輸出lab1_challenge1打印用戶程序調(diào)用棧實驗內(nèi)容：通過修改PKE內(nèi)核，來實現(xiàn)從給定應(yīng)用（user/app_print_backtrace.c）到預(yù)期輸出的轉(zhuǎn)換。對于print_backtrace()函數(shù)的實現(xiàn)要求：應(yīng)用程序調(diào)用print_backtrace()時，應(yīng)能夠通過控制輸入的參數(shù)（如例子user/app_print_backtrace.c中的7）控制回溯的層數(shù)。例如，如果調(diào)用print_backtrace(5)則只輸出5層回溯；如果調(diào)用print_backtrace(100)，則應(yīng)只回溯到main函數(shù)就停止回溯（因為調(diào)用的深度小于100）。lab1_challenge2打印異常代碼行給定應(yīng)用預(yù)期輸出lab1_challenge2打印異常代碼行實驗內(nèi)容：通過修改PKE內(nèi)核（包括machine文件夾下的代碼），使得用戶程序在發(fā)生異常時，內(nèi)核能夠輸出觸發(fā)異常的用戶程序的源文件名和對應(yīng)代碼行。文件名規(guī)范：需要包含路徑，如果是用戶源程序發(fā)生的錯誤，路徑為相對路徑，如果是調(diào)用的標準庫內(nèi)發(fā)生的錯誤，路徑為絕對路徑。為了降低挑戰(zhàn)的難度，本實驗在elf.c中給出了debug_line段的解析函數(shù)make_addr_line。這個函數(shù)接受三個參數(shù)，ctx為elf文件的上下文指針，這個可以參考文件中的其他函數(shù)；debug_line為指向.debug_line段數(shù)據(jù)的指針，你需要讀取elf文件中名為.debug_line的段保存到緩沖區(qū)中，然后將緩沖區(qū)指針傳入這個參數(shù)；length為.debug_line段數(shù)據(jù)的長度。lab1_challenge3多核啟動及運行給定應(yīng)用預(yù)期輸出lab1_challenge3多核啟動及運行實驗內(nèi)容：在RISC-V處理器中，每一個CPU稱作一個hart(hardwarethread)，并從0開始編號。此實驗要求啟動兩個CPU，它們的編號分別為0和1。本實驗中，你需要修改內(nèi)核代碼，使得riscv-pke能夠通過spike啟動兩個CPU(hart)，并且讓CPU0執(zhí)行app0，讓CPU1執(zhí)行app1。user0.lds和user1.lds中規(guī)定了app0從0x81000000處開始加載，