Lab03

思考题

thinking 3.1

MOS中目前使用的envid是由三部分构成：

  • 第0-9位：当前进程在envs数组中偏移量，因为共有1024个env，故这部分占据10位
  • 第10位：1
  • 第11-16位：6位的ASID

低10位是不会出错的，这一步需要判断高7位是否符合envid的规则，以及ASID是否和低10位偏移量对应。

thinking 3.2

  • UTOP以下的区域是可读写区域，UTOP-ULIM间的区域是只读区域

  • 自映射：

    • UVPT以上到ULIM之间，是一个4MB的空间，正好满足对整个4GB进程空间的自映射。
    • 在根据页目录，以这4MB空间内的虚拟地址访问页表时，得到的env_cr3正是

  • 物理地址和虚拟地址：

    • 在MOS中，物理内存为64MB，这是所有进程共享的
    • 对于kuseg, kseg0部分虚拟地址的访问，最终都是落到了访问对应的物理地址。物理地址是真正存储数据的地方
    • 32位操作系统，虚拟内存共4GB，分为用户空间和内核空间。其中kuseg是用户空间，共2GB；kseg0是内核空间的一部分，也是内核空间中我们目前接触最多的部分，其大小为512MB
    • 在kuseg空间中，通过二级页表机制将虚拟地址映射到不同的物理页；在kseg0空间中，通过将最高位抹去，直接映射到固定的物理页
    • 所有进程共享内核所在的2GB空间

thinking 3.3

user_data为调用load_icode函数时传入的进程参数e

thinking 3.4

根据va和va + bin_size是否页对齐，可以分为四种情况：

  • va为页对齐，这种情况较为简单

  • va不是页对齐，其中offset = va - ROUNDDOWN(va, BY2PG)，则从va--ROUND(va, BY2PG)这段区间需要单独加载，首先需要考虑va是否和物理页面有映射关系，如果有，则需要找到对应的物理页面；否则需要分配一个新的物理页

4.1

  • va + bin_size为页对齐

  • va + bin_size非页对齐，此时offset = va + i - ROUNDDOWN(va + i, BY2PG)，则从ROUNDDOWN(va + i, BY2PG)--va + i这段区间需要单独加载，即用offset代替BY2PG作为加载的size

4.2

thinking 3.5

  • 虚拟地址。

  • 每个进程不一样。

  • e_entry：此字段指明程序入口的虚拟地址。即当文件被加载到进程空间里后，入口程序在进程地址空间里的地址。对于可执行程序文件来说，当 ELF 文件完成加载之 后，程序将从这里开始运行；而对于其它文件来说，这个值应该是 0。

thinking 3.6

epc是CP0寄存器组中记录异常发生地址的寄存器。在发生中断时，CPU会将发生中断的地址存入该寄存器。

在env_pop_tf()函数中，最后会跳转到进程的pc寄存器，但是在进程切换中，实际跳转的地方应该是epc寄存器，故要将pc寄存器中的值设置为epc。

thinking 3.7

  • 在宏SAVE_ALL中，将当前进程的上下文存到TIMESTACK
  • 是内核区域中不同的栈区域，当出现时钟中断时，存储的区域为TIMESTACK，对于其它异常，存储区域为KERNEL_SP

thinking 3.8

  • handle_int: lib/genex.S
  • handle_mod, handle_tlb: lib/genex.S，抽象成了函数handle_\exception
  • handle_sys: lib/syscall.S

thinking 3.9

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.macro  setup_c0_status set clr
//定义了一个宏，将状态寄存器修改为设定值，若clr置1则清零
  .set    push
    mfc0    t0, CP0_STATUS
    or      t0, \set|\clr
    xor     t0, \clr
    mtc0    t0, CP0_STATUS
    .set    pop
.endm

LEAF(set_timer)
        li t0, 0xc8             //t0 <- 200
        sb t0, 0xb5000100       //将时钟中断设置为200次
        sw sp, KERNEL_SP        //KERNEL_SP <- sp, 将当前栈内容存入内核栈指针处
setup_c0_status STATUS_CU0|0x1001 0    //CP0_STATUS <- STATUS_CU0|0x1001=0x10001001
        jr ra
        nop
END(set_timer)
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timer_irq:
  sb zero, 0xb5000110           //关闭时钟中断
1:  j       sched_yield         //调用sched_yield函数
    nop
    /*li t1, 0xff
    lw    t0, delay
    addu  t0, 1
    sw      t0, delay
    beq     t0,t1,1f
    nop*/
    j       ret_from_exception  //调用ret_from_exception函数
    nop

thinking 3.10

异常处理

当发生时钟中断，先通过except_vec3异常分发进入对应处理异常函数，在本次实验中为中断处理函数handle_int。然后通过一些处理，比如保存现场等，之后通过判断中断码进入相应的中断服务函数，本次实验中为timer_irq。在该函数中主要工作为调用sched_yield函数调度进程，在该函数中会通过进程的优先级切换进程并运行，这便是根据时钟周期切换进程。

实验难点

进程创建流程及函数调用图

env_create

进程创建相关函数

env_create

位置：lib/env.c

说明：创建进程

env_create_priority

位置：lib/env.c

说明：创建进程

env_alloc

位置：lib/env.c

说明：

  • 调用env_setup_vm函数，为进程分配页目录并完成部分映射
  • 初始化对应PCB，主要包括env_id, env_parent_id, env_status, env_runs, env_tf.cp0_status, env_tf.regs[29]
  • 将进程从空闲链表中移出，加入调度队列(这和物理内存管理的页链表管理体系很类似)

env_setup_vm

位置：lib/env.c

说明：

  • 为进程的页目录分配物理页

  • 以UTOP为界，将用户空间分别映射，映射的模板是之前虚拟内存初始化时得到的boot_pgdir

    • 0--UTOP间的用户空间是可读写的，且各个进程在这部分的内容是各不一样的，因此在该函数中我们将其全部清零

    • UTOP--UTPV间的用户空间是存储pages, envs结构体数组的，这也是在之前虚拟内存初始化时完成映射的，这样在用户空间就可以访问到这两个数组。这部分对于所有进程都是相同的，因此我们以boot_pgdir为模板完成映射

    • UVPT--UTOP间的用户空间是用来自映射的，这部分4MB空间正好可以映射整个4GB虚拟内存空间，我们用以下代码来初始化这块空间：

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      e->env_pgdir = pgdir;
      e->env_cr3 = PADDR(e->env_pgdir);
      e->env_pgdir[PDX(UVPT)] = e->env_cr3 | PTE_V;

    • UTOP以上的空间不属于用户空间，也是用户态无法访问的内存空间

进程加载相关函数

load_icode

位置：lib/env.c

说明：

  • 分配物理页，并完成从用户栈空间到该物理页的映射
  • 通过load_elf函数完成文件二进制数据到用户空间的映射
  • 设置进程的入口，该入口地址通过上面的load_elf函数获得

load_elf

位置：lib/kernel_elfloader.c

说明：分段调用load_icode_mapper函数完成映射

is_elf_format

位置：lib/kernel_elfloader.c

说明：判断文件是否符合ELF文件格式

load_icode_mapper

位置：lib/env.c

说明：将文件二进制数据映射到用户空间

时钟中断处理图

异常处理

异常处理相关函数

except_vec3

位置：boot/start.S

说明：负责异常分发，根据状态寄存器的ExCode跳转到对应的异常处理函数

handle_\exception

位置：lib/genex.S

说明：异常处理函数

timer_irq

位置：lib/genex.S

说明：时钟中断的处理函数

sched_yield

位置：lib/sched.c

说明：调度函数

env_run

位置：lib/env.c

说明：运行进程

ret_from_exception

位置：lib/genex.S

说明：恢复现场

异常处理相关宏定义

SAVE_ALL

位置：include/stackframe.h

位置：boot/start.S

说明：保存现场

RESTORE_SOME/ALL

位置：include/stackframe.h

说明：恢复现场

get_sp

位置：include/stackframe.h

说明：获取保存现场的栈指针

STI

位置：include/stackframe.h

说明：开启全局中断使能

CLI

位置：include/stackframe.h

说明：禁用全局中断

总结与反思

本次实验重点就是进程的创建和调度，以及简单异常的处理。

相关函数相比之前增加了很多，导致理清函数的调用关系成为了一个重点和前提，否则难以理清逻辑，更别谈去完成所有的函数了。

因此在反复学习指导书和阅读代码之后，在自己理解的基础上画了两个思维导图，以理清逻辑关系。