系统调用和trap

简单介绍

这篇笔记主要帮助回顾xv6是如何经过trap陷入到内核去的，介绍相关的代码的重要的细节。

• 重要的寄存器

1. SATP（Supervisor Address Translation and Protection）：它包含了指向page table的物理内存地址
2. STVEC（Supervisor Trap Vector Base Address Register）：它指向了内核中处理trap的指令的起始地址。
3. SEPC（Supervisor Exception Program Counter）：在trap的过程中保存程序计数器的值。
4. SSRATCH（Supervisor Scratch Register）寄存器：在ecall指令前指向的是进程trapframe的地址

   trapframe在虚拟地址空间中位于trampoline的上一页(地址低于trampoline)。

• trap 调用的函数

  uservec -> usertrap -> usertrapret -> userret.

ecall指令做了什么？

1. ecall将代码从user mode改到supervisor mode。
2. ecall将程序计数器的值保存在了SEPC寄存器。
3. ecall会跳转到STVEC寄存器指向的指令

   ecall并没有切换到内核的页表。也没有找到一个内核栈(C代码的执行需要栈)

uservec

执行完ecall指令，会跳转到STVEC所指向的地址处，这是位于trampoline页面的第一条地址。

内核已经事先设置好了STVEC寄存器的内容为0x3ffffff000。

1. 首先交换a0和SSRATCH寄存器的值

   腾出一个通用寄存器, a0指向trapframe,注意此时还没有切换页表。

   csrrw a0, sscratch, a0

2. 将各种寄存器的值保存在trapframe中。

   sd ra, 40(a0)
   sd sp, 48(a0)
   .....

3. 在trapframe中获取一些相关的信息，比如说usertrap的地址， kernel stack， current hartid

4. 切换到内核的页表

   ld t1, 0(a0)
   csrw satp, t1

5. 然后跳转到usertrap函数中。

usertrap

这时候已经在内核的页表中了。

1. 更改stvec寄存器的值,获取当前进程

   trap如果从内核空间发起，将会是一个非常不同的处理流程

   w_stvec((uint64)kernelvec);
   
   struct proc *p = myproc();

   myproc函数实际上会查找一个根据当前CPU核的编号索引的数组，CPU核的编号是hartid，如果你还记得，我们之前在uservec函数中将它存在了tp寄存器。这是myproc函数找出当前运行进程的方法。

2. 保存pc

   中途可能切换到另一个进程

   // save user program counter.
     p->trapframe->epc = r_sepc();

3. 检查trap的原因，并执行相应的操作。例如如果是系统调用就调用syscall函数

   if(r_scause() == 8){
       // system call
   
       if(p->killed)
         exit(-1);
   
       // sepc points to the ecall instruction,
       // but we want to return to the next instruction.
       p->trapframe->epc += 4;
   
       // an interrupt will change sstatus &c registers,
       // so don't enable until done with those registers.
       intr_on();
   
       syscall();
     } else if((which_dev = devintr()) != 0){

   epc还需要+4，是因为在RISC-V中，存储在SEPC寄存器中的程序计数器，是用户程序中触发trap的指令的地址。但是当我们恢复用户程序时，我们希望在下一条指令恢复，也就是ecall之后的一条指令。

4. 调用usertrapret函数

usertrapret

返回到用户空间之前内核要做的工作.

1. 关闭了中断,stvec指向用户空间的trap处理代码
2. 设置trapframe中的数据，这样下一次从用户空间转换到内核空间时可以用到这些数据。
3. 跳转到函数userret。

   这个跳转有一点细节

   uint64 fn = TRAMPOLINE + (userret - trampoline);
   ((void (*)(uint64, uint64))fn)(TRAPFRAME, satp);

   首先计算出 userret 在trampoline页面的地址，然后再进行一次函数跳转
   此时a0寄存器的值为 TRAPFRAME,a1寄存器的值为进程的satp。

userret

这段代码也在trampoline页中,所以切换页表后pc并不会出现错误。

1. 切换page table。

2. 恢复寄存器现场

   # put the saved user a0 in sscratch, so we
   # can swap it with our a0 (TRAPFRAME) in the last step.
   ld t0, 112(a0)
   csrw sscratch, t0
   
   # restore all but a0 from TRAPFRAME
   ld ra, 40(a0)
   ld sp, 48(a0)
   ld gp, 56(a0)
   .....

   此时sscratch寄存器的值是系统调用的返回值。
   回顾一下，在syscall函数中有下面一行,系统调用的返回值覆盖了我们保存在trapframe中的a0寄存器的值：

   // kernel/syscall.c
   p->trapframe->a0 = syscalls[num]();

3. 交换a0和sscratch的值

   # restore user a0, and save TRAPFRAME in sscratch
   csrrw a0, sscratch, a0

   这样a0就是系统调用的返回值了。sscratch就指向trapframe的地址了。

4. 最后调用sret指令

• 程序会切换回user mode
• SEPC寄存器的数值会被拷贝到PC寄存器（程序计数器）
• 重新打开中断