XV6學習（6）Lab: traps

這一個實驗主要是對RISC-V的匯編、棧幀結構以及陷阱進行簡單的了解，難度並不大。

代碼放在github上。

RISC-V assembly (easy)

Q1: Which registers contain arguments to functions? For example, which register holds 13 in main's call to printf?

RISC-V的函數調用過程參數優先使用寄存器傳遞，即a0~a7共8個寄存器。返回值可以放在a0和a1寄存器。printf的參數13保存在a2寄存器。

Q2: Where is the call to function f in the assembly code for main? Where is the call to g? (Hint: the compiler may inline functions.

從代碼可以看出，這兩個都被內聯優化處理了。main中的f調用直接使用了結果12，而f中的函數g調用直接內聯在f中了。

Q3: At what address is the function printf located?

在0x630的位置

Q4: What value is in the register ra just after the jalr to printf in main?

值應該為0x38，即函數的返回地址。

跳轉並鏈接指令（jal）具有雙重功能。若將下一條指令PC + 4的地址保存到目標寄存器中，通常是返回地址寄存器ra，便可以用它來實現過程調用。如果使用零寄存器（x0）替換ra作為目標寄存器，則可以實現無條件跳轉，因為x0不能更改。像分支一樣，jal將其20位分支地址乘以2，進行符號擴展后再添加到PC上，便得到了跳轉地址。

跳轉和鏈接指令的寄存器版本（jalr）同樣是多用途的。它可以調用地址是動態計算出來的函數，或者也可以實現調用返回（只需ra作為源寄存器，零寄存器（x0）作為目的寄存器）。Switch和case語句的地址跳轉，也可以使用jalr指令，目的寄存器設為x0。

Q5: Run the following code.

unsigned int i = 0x00646c72;
printf("H%x Wo%s", 57616, &i);

What is the output? Here's an ASCII table that maps bytes to characters.

The output depends on that fact that the RISC-V is little-endian. If the RISC-V were instead big-endian what would you set i to in order to yield the same output? Would you need to change 57616 to a different value?

結果為：He110 World; 不要修改為0x726c6400; 57616不需要進行改變，編譯器會進行轉換。

Q6: In the following code, what is going to be printed after 'y='? (note: the answer is not a specific value.) Why does this happen? printf("x=%d y=%d", 3);

應該打印出寄存器a2的值，因為printf會從a2寄存器中讀取第三個參數作為y的值。

Backtrace (moderate)

實現backtrace，遞歸打印函數調用棧。使用r_fp獲取當前棧幀地址，由於棧是由高地址向低地址增長的，因此使用PGROUNDUP獲得棧底地址，之后循環打印棧幀的函數的返回地址。

void
backtrace(void)
{
  printf("backtrace:\n");
  uint64 fp = r_fp();
  uint64 base = PGROUNDUP(fp);
  while(fp < base) {
    printf("%p\n", *((uint64*)(fp - 8)));
    fp = *((uint64*)(fp - 16));
  }
}

Alarm (hard)

這一個要求添加系統調用sigalarm來實現當用戶程序運行了n個ticks后，觸發一次回調函數。由之前的學習可以知道，時鍾中斷的處理是在usertrap函數中的if(which_dev == 2)里面的。

為了實現這個功能，首先在proc結構體中添加相應字段：

struct proc {
  ...
  // these are used for sys_alarm
  int duration;                // ticks after last alarm
  int alarm;                   // alarm every n ticks
  uint64 handler;              // handler for alarm
  struct trapframe *alarm_trapframe; // register saved for alarm
};

之后實現sys_alarm函數，將相關信息填入proc中：

uint64
sys_sigalarm(void)
{
  int ticks;
  uint64 handler;
  if(argint(0, &ticks) < 0)
    return -1;
  if(argaddr(1, &handler) < 0)
    return -1;
  
  struct proc* p = myproc();
  p->alarm = ticks;
  p->handler = handler;
  p->duration = 0;
  p->alarm_trapframe = 0;
  return 0;
}

而最關鍵的部分是在usertrap中，當發生時鍾中斷時，將p->duration增加，如果p->duration == p->alarm，那么就要觸發一次回調函數，而觸發的方法就是將p->trapframe->epc設置為回調函數地址，當陷阱處理程序結束后就會跳轉到回調函數。

而為了保證回調函數不會破壞原程序的寄存器，需要對trapframe進行保存；我這里選擇的方法是通過kalloc申請一個新的trapframe結構體，然后將trapframe復制一份。

為了保證回調函數執行期間不會重復調用，就可以判斷p->alarm_trapframe是否為0，不為0說明上一次的回調函數還沒有調用sigreturn，即函數未結束。

  if(which_dev == 2){
    if(p->alarm != 0){
      p->duration++;
      if(p->duration == p->alarm){
        p->duration = 0;
        if(p->alarm_trapframe == 0){
          p->alarm_trapframe = kalloc();
          memmove(p->alarm_trapframe, p->trapframe, 512);
          p->trapframe->epc = p->handler;
        }else{
          yield();
        }
      }else{
        yield();
      }
    }else{
      yield();
    }
  }

最后就是sigreturn函數，這個函數要做的工作就是將之前保存的alarm_trapframe還原到trapframe中，並將alarm_trapframe釋放掉。別忘了在freeproc函數中也要對p->alarm_trapframe進行判斷，防止程序異常結束時該頁面沒有被釋放。

uint64
sys_sigreturn(void)
{
  struct proc* p = myproc();
  if(p->alarm_trapframe != 0){
    memmove(p->trapframe, p->alarm_trapframe, 512);
    kfree(p->alarm_trapframe);
    p->alarm_trapframe = 0;
  }
  return 0;
}