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2024秋冬季开源操作系统训练营二阶段总结-NoahNieh

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第二阶段总结

这个阶段主要是要完成几个实验，借助几个实验理解一个具有进程/线程管理、内存管理、文件系统、进程间通信和提供了一定同步机制的内核是如何构成并运作起来的。

比较深刻的有这么几个知识点：

  • 链接脚本与全局符号的使用
  • Rust的汇编嵌入
  • 第四章中，在使用分离内核空间的时候。通过设计跳板页来解决切换页表后指令执行的问题。跳板页
  • 第六章了解了文件系统，了解了块设备的概念，对文件系统的各个抽象层有了一定的了解。
  • 第七、八章了解了操作系统是如何为应用提供同步原语的

跳板

由于我们的内核使用了分离内核空间的设置，所以在Trap的时候需要切换页表。但在切换页表之后，pc寄存器还是忠实的在其原来的位置自加到下一条指令，如果内核内存空间和程序内存空间对这段代码的映射不是在同一个位置的话，则会表现出来程序跳转到了别的地方执行的效果。因此我们设计了一个跳板页，在虚存中映射到所有内存空间的最高页，确保在切换之后，也能正确运行下一条指令。

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# trap.S
...
    .section .text.trampoline
    .globl __alltraps
    .globl __restore
    .align 2
__alltraps:
    csrrw sp, sscratch, sp
...

# linker.ld
...
    stext = .;
    .text : {
        *(.text.entry)
        . = ALIGN(4K);
        strampoline = .;
        *(.text.trampoline);
        . = ALIGN(4K);
        *(.text .text.*)
    }
...

在上面的汇编可以看到，我们给trap.S分配到了.text.trampoline段，并在链接脚本中定义了一个strampline符号来标记他的位置，这样我们可以在Rust中找到这个跳板页，映射到我们期望的位置。

但将跳板也映射到别的地方带来了新的问题，原来__alltraps中最后跳转到trap_handler使用的是call trap_handler。我们可以通过obj-dump看看编译得到的指令。

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# obj-dump -Dx ...

...
80201056: 73 90 02 18   csrw    satp, t0
8020105a: 73 00 00 12   sfence.vma
8020105e: 97 80 00 00   auipc   ra, 0x8
80201062: e7 80 e0 0b   jalr    0xbe(ra) <trap_handler> # pc+0x80be
...
000000008020911c g     F .text  00000000000003b2 trap_handler
...

可以看到，这里用的是pc相对寻址，也就是基于当前指令的偏移找到trap_handler所在的位置。但是现在__alltraps已经被我们映射到内存的最高页去了，也就是说我们实际运行代码的时候是在下面这一段内存中。

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# gdb
>>> x /20i $pc-10
   0xfffffffffffff054:  ld      sp,280(sp)
   0xfffffffffffff056:  csrw    satp,t0
   0xfffffffffffff05a:  sfence.vma
=> 0xfffffffffffff05e:  jr      t1 

>>> p /x $t1
$9 = 0x8020911c

很明显如果这里跳转到$pc+offset$的话，并不是跳到位于正常代码段的trap_handler。所以我们要将这里换成寄存器跳转，将trap_handler的地址放到寄存器t1中，这样才能顺利地调用到trap_handler。