Lab3 Part A

MIT6.828——Lab1 PartA

MIT6.828——Lab1 PartB

Lab2記憶體管理準備知識

MIT6.828——Lab2

內核維護了三個關于用戶環境的全域量

struct Env *envs = NULL; 	// All environments
struct Env *curenv = NULL; 	// The current env
static struct Env *env_free_list; // Free environment list

分別對應所有的環境，當前運行的用戶環境和空閑的環境鏈表，

Environment State

Env結構體的定義如下：

struct Env {
    struct Trapframe env_tf; 	// Saved registers
    struct Env *env_link; 		// Next free Env
    envid_t env_id; 			// Unique environment identifier
    envid_t env_parent_id; 		// env_id of this env's parent
    enum EnvType env_type; 		// Indicates special system environments
    unsigned env_status; 		// Status of the environment
    uint32_t env_runs; 			// Number of times environment has run
    // Address space
    pde_t *env_pgdir; 			// Kernel virtual address of page dir
};

各個欄位的解釋如下：

env_tf:

　　　　當用戶環境暫停運行時，重要暫存器的值（保護的現場），內核也會進行用戶態內核態切換時保存這些值，用戶環境可以在之后被恢復，

env_link:

　　　　這個指標指向env_free_list的后一個空閑的Env結構體，

env_id:

　　　　唯一地確定使用這個結構體的用戶環境，用戶環境終止后，內核也許會把這個結構體分給另外一個環境，新的環境會有新的env_id值，

env_parent_id:

　　　　創建這個用戶環境的環境(parent)的env_id，構建一顆tree，

env_type:

　　　　用于區別特別的用戶環境，大多數清空下值都是ENV_TYPE_USER.

env_status:

　　　　這個變數有以下可能的取值：

　　　　ENV_FREE: 代表這個Env結構體不活躍的，應該在鏈表env_free_list中，

　　　　ENV_RUNNABLE: 對應的用戶環境已經就緒，等待被分配處理機，

　　　　ENV_RUNNING: 對應的用戶環境正在運行，

　　　　ENV_NOT_RUNNABLE: Env結構體所代表的是一個當前狀態下活躍的用戶環境，但是并未就緒，在等待IPC(Interprocess communication)，

　　　　ENV_DYING: Env對應的是一個僵尸環境(Zombie environment)，一個僵尸環境在下一次陷入內核時會被釋放回收(Lab4 會使用)，

env_pgdir:

　　　　存放著這個環境的頁目錄的虛擬地址，

Allocating the Environment Array

需要進一步地修改mem_init()函式，分配一個envs陣列，這個陣列保存所有的環境，并進行映射，需要新增的代碼如下：

struct Env* envs = (struct Env*)boot_alloc(NENV * sizeof(struct Env));
memset(envs,0,NENV * sizeof(struct Env));
//... ...
boot_map_region(kern_pgdir,UENVS,PTSIZE,PADDR(envs),PTE_U);

Creating and Running Environments

現在需要完成如何讓用戶環境跑起來的代碼了，因為還沒有檔案系統，因此只能加載嵌入內核自身的靜態二進制映像，Lab3的makefile會生成幾個二進制檔案放在obj/user中，一些技巧將這些二進制檔案link到了內核之中，二進制檔案中會有一個特殊的符號，通過生成的這些符號可以來參考到這些代碼，

• 第一個函式env_init()，需要初始化所有的Env結構，將其掛入鏈表，也呼叫env_init_percpu來配置底層的資訊，

  void
  env_init(void)
  {
  	// Set up envs array
  	// LAB 3: Your code here.
  	for(int i=NENV-1;i>=0;i++){
  		envs[i].env_id=0;
  		envs[i].env_status=ENV_FREE;
  		envs[i].env_link=env_free_list;
  		env_free_list=&envs[i];
  	}
  	// Per-CPU part of the initialization
  	env_init_percpu();
  }
  

  與lab2的pages陣列處理類似，注意鏈表的順序，

• 第二個函式env_setup_vm()，為新的環境分配頁目錄，并且初始化

  static int
  env_setup_vm(struct Env *e)
  {
      //------------------------------------------
      // 源代碼中的注釋此處為了篇幅，很多詳細說明都略去了
      // 詳細的資訊，請自行閱讀源代碼
      //------------------------------------------
  	int i;
  	struct PageInfo *p = NULL;
  	// 給頁目錄的分配一個物理頁來存盤
  	if (!(p = page_alloc(ALLOC_ZERO)))
  		return -E_NO_MEM;
     
      // 得到頁目錄的虛擬地址所在
  	e->env_pgdir = (pde_t*)page2kva(p);
      // 要求的自增參考計數
  	p->pp_ref++;
  
      // 這部分的頁目錄值，和kern_pgdir是一致的
      // 因此 也可以使用
      // memcpy(e->env_pgdir,kern_pgdir,PGSIZE);
  	for(i=0;i<PDX(UTOP);i++){
  		e->env_pgdir[i]=0;
  	}
  	for(i=PDX(UTOP);i<NPDENTRIES;i++){
  		e->env_pgdir[i]=kern_pgdir[i];
  	}
  	// 唯一和kern_pgdir不一樣的是對于自身的映射
  	e->env_pgdir[PDX(UVPT)] = PADDR(e->env_pgdir) | PTE_P | PTE_U;
  	return 0;
  }
  

  設定完頁目錄，用戶環境繼承了內核的地址映射，對于后續而言，每個用戶行程都能有自己的虛擬地址空間，且共享內核，

• 第三個函式region_alloc()，作用是為環境分配物理空間，分配物理空間，就是之前說的分配物理頁，使用的是page_alloc()，分配物理也，然后更改頁表，

  static void
  region_alloc(struct Env *e, void *va, size_t len)
  {
  	void * beigin =ROUNDDOWN(va,PGSIZE);
  	void * end = ROUNDUP(va+len,PGSIZE);
  	for(;beigin<end;beigin+=PGSIZE){
          // 申請物理頁
  		struct PageInfo* apage=page_alloc(0);
  		if(!apage){
  			panic("region_alloc fail ,out of memory!");
  		}
          // 安裝到頁表
  		page_insert(e->env_pgdir,apage,beigin,PTE_U|PTE_W);
  	}
  }
  

• 第四個函式 load_icode()，用來決議一個ELF映像，像Lab1中bootloader做的一樣，并把映像加載到新環境的用戶空間，在撰寫時，如下幾點值得注意：

  1. 閱讀boot/main.c 來得到靈感
  2. 只有p_type=ELF_PROG_LOAD的段才需要被被加載
  3. ph->p_va 是需要被加載到的虛地址
  4. ph->p_memsz 是整個在記憶體中占的大小，也是我們申請空間時的大小
  5. 從 binary + ph->p_offset 開始的ph->p_filesz位元組需要被復制到ph->p_va處
  6. 需要考慮一些ELF頭的入口點處理
  7. 這個程序在進行環境處理時，因為需要映射新的頁，因此需要切換頁目錄
  8. 哪些地方會產生panic？

  static void
  load_icode(struct Env *e, uint8_t *binary)
  {
  	struct Proghdr *ph,*end_ph;
  	struct Elf * elf_header = (struct Elf*)binary;
  	if(elf_header->e_magic!=ELF_MAGIC){
  		panic("not a elf format file");
  	}
  	ph=(struct Proghdr*)((uint8_t*)elf_header+elf_header->e_phoff);
  	end_ph=ph+elf_header->e_phnum;
  	lcr3(PADDR(e->env_pgdir));
  	for(;ph<end_ph;ph++){
  		if(ph->p_type==ELF_PROG_LOAD){
  			if(ph->p_memsz-ph->p_filesz<0){
  				panic("p_memsz < p_filesz");
  			}
  			region_alloc(e,(void*)ph->p_va,ph->p_memsz);
  			memcpy((void*)ph->p_va,(void*)binary+ph->p_offset,ph->p_filesz);
  			memset((void*)(ph->p_va+ph->p_filesz),0,ph->p_memsz-ph->p_filesz);
  		}
  	}
  	e->env_tf.tf_eip=elf_header->e_entry;
  	region_alloc(e,(void*)(USTACKTOP-PGSIZE),PGSIZE);
  	lcr3(PADDR(kern_pgdir));
  }
  

• 第五個函式env_create(),用來分配環境并加載ELF檔案，實作很簡單，使用env_alloc獲得一個新的環境，然后用load_icode加載，

  void
  env_create(uint8_t *binary, enum EnvType type)
  {
  	struct Env* new_env;
  	int r;
  	if((r=env_alloc(&new_env,0))!=0){
  		panic("env alloc fail in env creat :%e",r);
  	}	
  	new_env->env_type=type;
  	load_icode(new_env,binary);
  }
  

• 第六個函式env_run()，在用戶態中開始運行一個環境，這部分函式只要按照注釋完成即可，

  void
  env_run(struct Env *e)
  {
  	if((curenv!=NULL) && curenv->env_status==ENV_RUNNING){
  		curenv->env_type=ENV_RUNNABLE;
  	}
  	curenv=e;
  	e->env_status=ENV_RUNNING;
  	e->env_runs++;
  	lcr3(PADDR(e->env_pgdir));
      //保存環境
  	env_pop_tf(&e->env_tf);
  }
  

有一個函式也值得討論，那就是env_pop_tf()，相關的結構和定義如下：

struct PushRegs {
	/* registers as pushed by pusha */
	uint32_t reg_edi;
	uint32_t reg_esi;
	uint32_t reg_ebp;
	uint32_t reg_oesp;		/* Useless */
	uint32_t reg_ebx;
	uint32_t reg_edx;
	uint32_t reg_ecx;
	uint32_t reg_eax;
} __attribute__((packed));


struct Trapframe {
	struct PushRegs tf_regs;
	uint16_t tf_es;
	uint16_t tf_padding1;
	uint16_t tf_ds;
	uint16_t tf_padding2;
	uint32_t tf_trapno;
	/* below here defined by x86 hardware */
	uint32_t tf_err;
	uintptr_t tf_eip;
	uint16_t tf_cs;
	uint16_t tf_padding3;
	uint32_t tf_eflags;
	/* below here only when crossing rings, such as from user to kernel */
	uintptr_t tf_esp;
	uint16_t tf_ss;
	uint16_t tf_padding4;
} __attribute__((packed));


void
env_pop_tf(struct Trapframe *tf)
{
	asm volatile(
		"\tmovl %0,%%esp\n"		//	esp指向tf結構，彈出時會彈到tf里
		"\tpopal\n"				//  彈出tf_regs中值到各通用暫存器
		"\tpopl %%es\n"			//  彈出tf_es 到 es暫存器
		"\tpopl %%ds\n"			//  彈出tf_ds 到 ds暫存器
		"\taddl $0x8,%%esp\n"   //  跳過tf_trapno和tf_err
		"\tiret\n"				//  中斷回傳 彈出tf_eip,tf_cs,tf_eflags,tf_esp,tf_ss到相應暫存器
		: : "g" (tf) : "memory");
	panic("iret failed");  /* mostly to placate the compiler */
}

運行make qemu-gdb和make gdb，然后斷點打在env_pop_tf，執行到iret指令,在iret之前

eax            0x0                 0
ecx            0x0                 0
edx            0x0                 0
ebx            0x0                 0
esp            0xf01d1030          0xf01d1030
ebp            0x0                 0x0
esi            0x0                 0
edi            0x0                 0
eip            0xf01038e2          0xf01038e2 <env_pop_tf+31>
eflags         0x96                [ PF AF SF ]
cs             0x8                 8
ss             0x10                16
ds             0x23                35
es             0x23                35
fs             0x23                35
gs             0x23                35

可以看到此時的cs為00001 000，是我們GDT中的第一個段，內核段，在iret之后

eax            0x0                 0
ecx            0x0                 0
edx            0x0                 0
ebx            0x0                 0
esp            0xeebfe000          0xeebfe000
ebp            0x0                 0x0
esi            0x0                 0
edi            0x0                 0
eip            0x800020            0x800020
eflags         0x2                 [ ]
cs             0x1b                27
ss             0x23                35
ds             0x23                35
es             0x23                35
fs             0x23                35
gs             0x23                35

cs=0X1b=0001 1011,所以是GDT中的第三個描述符（user code segment），權限為3（用戶態），

在obj/user/hello.asm找到

800b93:	cd 30                	int    $0x30
	syscall(SYS_cputs, 0, (uint32_t)s, len, 0, 0, 0);

斷點設定在此處，由于系統呼叫還沒有實作，這里往下執行就會觸發triple fault，

可以有如下的函式呼叫圖:

• start (kern/entry.S)
• i386_init (kern/init.c)

  • cons_init

  • mem_init

  • env_init

  • trap_init (still incomplete at this point)

  • env_create

    • env_alloc

      • env_setup_vm

    • load_icode

      • region_alloc

  • env_run

    • env_pop_tf

User stack and Kernel stack

這里提前說明一下關于用戶堆疊和內核堆疊，以及這倆的切換程序，在后續行程等地方，這一套機制都很受用，

這是涉及到特權級切換的情況，用戶程式的堆疊和內核的堆疊，組合形成一套堆疊，這個程序ss，sp，eflags，cs，eip在中斷發生時由處理器壓入,通用暫存器部分需要自己實作，詳情可以參考哈工大李治軍老師關于作業系統的課程，

Handling Interrupts and Exceptions

Part of 80386 Programmer's Manual

這是這部分開頭練習的要求，這里就來讀一讀8086程式員手冊，

首先便是中斷和溢位的分類：

一般地不刻意區分這些術語(在這套體系中)，

NMI和Exception都分配了唯一的中斷號，系統保留0~31這32個中斷號（因此，如果用戶自定義中斷，中斷號應從32開始），

如果一定要區分的話，exception被分為faults, traps和aborts, 區分的標準是這些exception如何被通知，何時重新執行造成溢位的指令，

下一個話題是中斷描述符表IDT，每個中斷或者溢位的服務程式都和IDT中的8B中斷描述符相關聯，和GDT，LDT不同，IDT的第一個描述符并不是空的，

IDT中的描述符有三種類別：任務們，中斷門，陷阱門（由type欄位標識），

至于中斷服務程式的定位，就是在查GDT或LDT之前，多查一次IDT

而中斷服務程式如果和當前代碼之間存在特權級的轉移，那么堆疊的變化在上文已經說明了，

An Example

講前文的諸多小知識拼湊起來，通過一個例子來過一遍整個程序，

處理器正在用戶空間執行代碼，遇到了一條除以零的指令，由此引發溢位：

1. 處理器切換到內核堆疊(由SS0 ESP0進行內核堆疊的定位)，此時內核堆疊為空，
2. 內核堆疊壓入一系列溢位現場，進行現場保護

3. 因為正在處理除以零溢位，因此中斷向量0被索引到了，因此處理器讀取IDT的第0項，將cs:eip指向中斷處理程式，
4. 處理程式獲得控制權并處理該溢位，比如說該程式終止該用戶環境的運行，

某些特定的x86溢位，除了會壓入上面的經典5個欄位，還會壓入error code，在處理堆疊時，不要忘了跳過這個欄位，如果需要的話，

Setting Up the IDT

經過了理論部分，現在到了該實作IDT的時候了，

首先是trapentry.S, 在這個檔案中提供了如下兩個宏：

作用是壓入中斷號，跳轉到_alltraps；其中對于壓入錯誤碼的使用TRAPHANDLER，對于不壓入錯誤碼的使用TRAPHANDLER_NOEC，此處入口的name應該是一個函式的名字，正如內部宣告：.type name, @function; /* symbol type is function */

#define TRAPHANDLER(name, num)									\
	.globl name;		/* define global symbol for 'name' */	\
	.type name, @function;	/* symbol type is function */		\
	.align 2;		/* align function definition */				\
	name:			/* function starts here */					\
	pushl $(num);												\
	jmp _alltraps

#define TRAPHANDLER_NOEC(name, num)					\
	.globl name;									\
	.type name, @function;							\
	.align 2;										\
	name:											\
	pushl $0;										\
	pushl $(num);									\
	jmp _alltraps

閱讀注釋，可以完善該檔案：

_alltraps中的push %esp 相當于傳遞了一個Trapframe結構，因為經典的5個欄位由處理器自動壓入，而_alltraps中壓入的順序，正好可以與Trapframe結構對應起來，因此trap函式可以獲得Trapframe資訊，

/*
 * Lab 3: Your code here for generating entry points for the different traps.
 */
	TRAPHANDLER_NOEC(int0,0);
	TRAPHANDLER_NOEC(int1,1);
	TRAPHANDLER_NOEC(int2,2);
	TRAPHANDLER_NOEC(int3,3);
	TRAPHANDLER_NOEC(int4,4);
	TRAPHANDLER_NOEC(int5,5);
	TRAPHANDLER_NOEC(int6,6);
	TRAPHANDLER_NOEC(int7,7);
	TRAPHANDLER(int8,8);
	TRAPHANDLER(int10,10);
	TRAPHANDLER(int11,11);
	TRAPHANDLER(int12,12);
	TRAPHANDLER(int13,13);
	TRAPHANDLER(int14,14);
	TRAPHANDLER_NOEC(int16,16);
	TRAPHANDLER_NOEC(__syscall,T_SYSCALL);
/*
 * Lab 3: Your code here for _alltraps
 */
_alltraps:
	pushl %ds
	pushl %es
	pushal
	push $GD_KD
	popl %ds
	push $GD_KD
	popl %es
	pushl %esp
	call trap

下面要建立IDT，首先關于門描述符，在mmu.h中提供了相關的工具

// Gate descriptors for interrupts and traps
struct Gatedesc {
	unsigned gd_off_15_0 : 16;   // low 16 bits of offset in segment
	unsigned gd_sel : 16;        // segment selector
	unsigned gd_args : 5;        // # args, 0 for interrupt/trap gates
	unsigned gd_rsv1 : 3;        // reserved(should be zero I guess)
	unsigned gd_type : 4;        // type(STS_{TG,IG32,TG32})
	unsigned gd_s : 1;           // must be 0 (system)
	unsigned gd_dpl : 2;         // descriptor(meaning new) privilege level
	unsigned gd_p : 1;           // Present
	unsigned gd_off_31_16 : 16;  // high bits of offset in segment
};

// Set up a normal interrupt/trap gate descriptor.
// - istrap: 1 for a trap (= exception) gate, 0 for an interrupt gate.
    //   see section 9.6.1.3 of the i386 reference: "The difference between
    //   an interrupt gate and a trap gate is in the effect on IF (the
    //   interrupt-enable flag). An interrupt that vectors through an
    //   interrupt gate resets IF, thereby preventing other interrupts from
    //   interfering with the current interrupt handler. A subsequent IRET
    //   instruction restores IF to the value in the EFLAGS image on the
    //   stack. An interrupt through a trap gate does not change IF."
// - sel: Code segment selector for interrupt/trap handler
// - off: Offset in code segment for interrupt/trap handler
// - dpl: Descriptor Privilege Level -
//	  the privilege level required for software to invoke
//	  this interrupt/trap gate explicitly using an int instruction.
#define SETGATE(gate, istrap, sel, off, dpl)			\
{								\
	(gate).gd_off_15_0 = (uint32_t) (off) & 0xffff;		\
	(gate).gd_sel = (sel);					\
	(gate).gd_args = 0;					\
	(gate).gd_rsv1 = 0;					\
	(gate).gd_type = (istrap) ? STS_TG32 : STS_IG32;	\
	(gate).gd_s = 0;					\
	(gate).gd_dpl = (dpl);					\
	(gate).gd_p = 1;					\
	(gate).gd_off_31_16 = (uint32_t) (off) >> 16;		\
}

因此trap_init()函式如下

void
trap_init(void)
{
	extern struct Segdesc gdt[];

	// LAB 3: Your code here.
	void int0();
	void int1();
	void int2();
	void int3();
	void int4();
	void int5();
	void int6();
	void int7();
	void int8();
	void int10();
	void int11();
	void int12();
	void int13();
	void int14();
	void int16();
	void _syscall_();

	SETGATE(idt[0],0,GD_KT,int0,0);
	SETGATE(idt[1],0,GD_KT,int1,0);
	SETGATE(idt[2],0,GD_KT,int2,0);
	SETGATE(idt[3],0,GD_KT,int3,0);
	SETGATE(idt[4],0,GD_KT,int4,0);
	SETGATE(idt[5],0,GD_KT,int5,0);
	SETGATE(idt[6],0,GD_KT,int6,0);
	SETGATE(idt[7],0,GD_KT,int7,0);
	SETGATE(idt[8],0,GD_KT,int8,0);
	SETGATE(idt[10],0,GD_KT,int10,0);
	SETGATE(idt[11],0,GD_KT,int11,0);
	SETGATE(idt[12],0,GD_KT,int12,0);
	SETGATE(idt[13],0,GD_KT,int13,0);
	SETGATE(idt[14],0,GD_KT,int14,0);
	SETGATE(idt[16],0,GD_KT,int16,0);
	SETGATE(idt[T_SYSCALL],0,GD_KT,_syscall_,0);

	// Per-CPU setup 
	trap_init_percpu();
}

至此，函式的呼叫關系如圖：

當遇到中斷時，會呼叫trap：

trap會列印出相關的資訊，

現在可以開始測驗了：

實驗三的A部分到此完結，下一篇文章，關于PartA 的一些問題和PartB

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