穿越时空的旅程

有了强大的硬件保护机制, 用户程序将无法把执行流切换到操作系统的任意代码了. 但为了实现最简单的操作系统, 硬件还需要提供一种可以限制入口的执行流切换方式. 这种方式就是自陷指令, 程序执行自陷指令之后, 就会陷入到操作系统预先设置好的跳转目标. 这个跳转目标也称为异常入口地址.

这一过程是ISA规范的一部分, 称为中断/异常响应机制. 大部分ISA并不区分CPU的异常和自陷, 甚至是将会在PA4最后介绍的硬件中断, 而是对它们进行统一的响应. 目前我们并未加入硬件中断, 因此先把这个机制简称为"异常响应机制"吧.

x86

x86提供int指令作为自陷指令, 但其异常响应机制和其它ISA相比会复杂一些. 在x86中, 上述的异常入口地址是通过门描述符(Gate Descriptor)来指示的. 门描述符是一个8字节的结构体, 里面包含着不少细节的信息, 我们在NEMU中简化了门描述符的结构, 只保留存在位P和偏移量OFFSET:

   31                23                15                7                0
  +-----------------+-----------------+---+-------------------------------+
  |           OFFSET 31..16           | P |          Don't care           |4
  +-----------------------------------+---+-------------------------------+
  |             Don't care            |           OFFSET 15..0            |0
  +-----------------+-----------------+-----------------+-----------------+

P位来用表示这一个门描述符是否有效, OFFSET用来指示异常入口地址. 有了门描述符, 用户程序就只能跳转到门描述符中OFFSET所指定的位置, 再也不能随心所欲地跳转到操作系统的任意代码了.

为了方便管理各个门描述符, x86把内存中的某一段数据专门解释成一个数组, 叫IDT(Interrupt Descriptor Table, 中断描述符表), 数组的一个元素就是一个门描述符. 为了从数组中找到一个门描述符, 我们还需要一个索引. 对于CPU异常来说, 这个索引由CPU内部产生(例如除零异常为0号异常),或者由int指令给出(例如int $0x80). 最后, 为了在内存中找到IDT, x86使用IDTR寄存器来存放IDT的首地址和长度. 操作系统的代码事先把IDT准备好, 然后执行一条特殊的指令lidt, 来在IDTR中设置好IDT的首地址和长度, 这一异常响应机制就可以正常工作了. 现在是万事俱备, 等到程序执行自陷指令或者触发异常的时候, CPU就会按照设定好的IDT跳转到异常入口地址:

           |               |
           |   Entry Point |<----+
           |               |     |
           |               |     |
           |               |     |
           +---------------+     |
           |               |     |
           |               |     |
           |               |     |
           +---------------+     |
           |offset |       |     |
           |-------+-------|     |
           |       | offset|-----+
  index--->+---------------+
           |               |
           |Gate Descriptor|
           |               |
    IDT--->+---------------+
           |               |
           |               |

不过, 我们将来还是有可能需要返回到程序的当前状态来继续执行的, 比如通过int3触发的断点异常. 这意味着, 我们需要在进行响应异常的时候保存好程序当前的状态. 于是, 触发异常后硬件的响应过程如下:

1. 从IDTR中读出IDT的首地址
2. 根据异常号在IDT中进行索引, 找到一个门描述符
3. 将门描述符中的offset域组合成异常入口地址
4. 依次将eflags, cs(代码段寄存器), eip(也就是PC)寄存器的值压栈
5. 跳转到异常入口地址

在计算机和谐社会中, 大部分门描述符都不能让用户进程随意使用, 否则恶意程序就可以通过int指令欺骗操作系统. 例如恶意程序执行int $0x2来谎报电源掉电, 扰乱其它进程的正常运行. 因此执行int指令也需要进行特权级检查, 但PA中就不实现这一保护机制了, 具体的检查规则我们也就不展开讨论了, 需要了解时RTFM即可.

mips32

mips32提供syscall指令作为自陷指令, 它的工作过程十分简单. mips32约定, 上述的异常入口地址总是0x80000180. 为了保存程序当前的状态, mips32提供了一些特殊的系统寄存器, 这些寄存器位于0号协处理器(Co-Processor 0)中, 因此也称CP0寄存器. 在PA中, 我们只使用如下3个CP0寄存器:

• epc寄存器 - 存放触发异常的PC
• status寄存器 - 存放处理器的状态
• cause寄存器 - 存放触发异常的原因

mips32触发异常后硬件的响应过程如下:

1. 将当前PC值保存到epc寄存器
2. 在cause寄存器中设置异常号
3. 在status寄存器中设置异常标志, 使处理器进入内核态
4. 跳转到0x80000180

riscv32

riscv32提供ecall指令作为自陷指令, 并提供一个mtvec寄存器来存放异常入口地址. 为了保存程序当前的状态, riscv32提供了一些特殊的系统寄存器, 叫控制状态寄存器(CSR寄存器). 在PA中, 我们只使用如下3个CSR寄存器:

• mepc寄存器 - 存放触发异常的PC
• mstatus寄存器 - 存放处理器的状态
• mcause寄存器 - 存放触发异常的原因

riscv32触发异常后硬件的响应过程如下:

1. 将当前PC值保存到mepc寄存器
2. 在mcause寄存器中设置异常号
3. 从mtvec寄存器中取出异常入口地址
4. 跳转到异常入口地址

需要注意的是, 上述保存程序状态以及跳转到异常入口地址的工作, 都是硬件自动完成的, 不需要程序员编写指令来完成相应的内容. 事实上, 这只是一个简化后的过程, 在真实的计算机上还要处理很多细节问题, 比如x86和riscv32的特权级切换等, 在这里我们就不深究了. ISA手册中还记录了处理器对中断号和异常号的分配情况, 并列出了各种异常的详细解释, 需要了解的时候可以进行查阅.

由于异常入口地址是硬件和操作系统约定好的, 接下来的处理过程将会由操作系统来接管, 操作系统将视情况决定是否终止当前程序的运行(例如触发段错误的程序将会被杀死). 若决定无需杀死当前程序, 等到异常处理结束之后, 就根据之前保存的信息恢复程序的状态, 并从异常处理过程中返回到程序触发异常之前的状态. 具体地:

• x86通过iret指令从异常处理过程中返回, 它将栈顶的三个元素来依次解释成eip, cs, eflags, 并恢复它们.
• mips32通过eret指令从异常处理过程中返回, 它将清除status寄存器中的异常标志, 并根据epc寄存器恢复PC.
• riscv32通过mret指令从异常处理过程中返回, 它将根据mepc寄存器恢复PC.

状态机视角下的异常响应机制

程序是个S = <R, M>的状态机, 我们之前已经讨论过在TRM和IOE中这个状态机的具体行为. 如果要给计算机添加异常响应机制, 我们又应该如何对这个状态机进行扩充呢?

首先当然是对R的扩充, 除了PC和通用寄存器之外, 还需要添加上文提到的一些特殊寄存器. 我们不妨把这些寄存器称为系统寄存器(System Register), 因为这些寄存器的作用都是和系统功能相关的, 平时进行计算的时候不会使用. 扩充之后的寄存器可以表示为R = {GPR, PC, SR}. 异常响应机制和内存无关, 因此我们无需对M的含义进行修改.

对状态转移的扩充就比较有趣了. 我们之前都是认为程序执行的每一条指令都会成功, 从而状态机会根据指令的语义进行状态转移. 添加异常响应机制之后, 我们允许一条指令的执行会"失败". 为了描述指令执行失败的行为, 我们可以假设CPU有一条虚构的指令raise_intr, 执行这条虚构指令的行为就是上文提到的异常响应过程. 显然, 这一行为是可以用状态机视角来描述的, 例如在riscv32中可以表示成:

SR[mepc] <- PC
SR[mcause] <- 一个描述失败原因的号码
PC <- SR[mtvec]

有了这条虚构的指令, 我们就可以从状态机视角来理解异常响应的行为了: 如果一条指令执行成功, 其行为和之前介绍的TRM与IOE相同; 如果一条指令执行失败, 其行为等价于执行了虚构的raise_intr指令.

那么, "一条指令的执行是否会失败"这件事是不是确定性的呢? 显然这取决于"失败"的定义, 例如除0就是"除法指令的第二个操作数为0", 非法指令可以定义成"不属于ISA手册描述范围的指令", 而自陷指令可以认为是一种特殊的无条件失败. 不同的ISA手册都有各自对"失败"的定义, 例如RISC-V手册就不认为除0是一种失败, 因此即使除数为0, 在RISC-V处理器中这条指令也会按照指令手册的描述来执行.

事实上, 我们可以把这些失败的条件表示成一个函数fex: S -> {0, 1}, 给定状态机的任意状态S, fex(S)都可以唯一表示当前PC指向的指令是否可以成功执行. 于是, 给计算机加入异常响应机制并不会增加系统的不确定性, 这大大降低了我们理解异常响应机制的难度, 同时也让调试不至于太困难: 一个程序运行多次, 还是会在相同的地方抛出相同的异常, 从而进行相同的状态转移 (IOE的输入指令会引入一些不确定性, 但目前还是在我们能控制的范围内).

最后, 异常响应机制的加入还伴随着一些系统指令的添加, 例如x86的lidt, iret, riscv32的csrrw, mret等. 这些指令除了用于专门对状态机中的SR进行操作之外, 它们本质上和TRM的计算指令没有太大区别, 因此它们的行为也不难理解.

将上下文管理抽象成CTE

我们刚才提到了程序的状态, 在操作系统中有一个等价的术语, 叫"上下文". 因此, 硬件提供的上述在操作系统和用户程序之间切换执行流的功能, 在操作系统看来, 都可以划入上下文管理的一部分.

与IOE一样, 上下文管理的具体实现也是架构相关的: 例如上文提到, x86/mips32/riscv32中分别通过int/syscall/ecall指令来进行自陷, native中甚至可以通过一些神奇的库函数来模拟相应的功能; 而上下文的具体内容, 在不同的架构上也显然不一样(比如寄存器就已经不一样了). 于是, 我们可以将上下文管理的功能划入到AM的一类新的API中, 名字叫CTE(ConText Extension).

接下来的问题是, 如何将不同架构的上下文管理功能抽象成统一的API呢? 换句话说, 我们需要思考, 操作系统的处理过程其实需要哪些信息?

• 首先当然是引发这次执行流切换的原因, 是程序除0, 非法指令, 还是触发断点, 又或者是程序自愿陷入操作系统? 根据不同的原因, 操作系统都会进行不同的处理.
• 然后就是程序的上下文了, 在处理过程中, 操作系统可能会读出上下文中的一些寄存器, 根据它们的信息来进行进一步的处理. 例如操作系统读出PC所指向的非法指令, 看看其是否能被模拟执行. 事实上, 通过这些上下文, 操作系统还能实现一些神奇的功能, 你将会在PA4中了解更详细的信息.

所以, 我们只要把这两点信息抽象成一种统一的表示方式, 就可以定义出CTE的API了. 对于切换原因, 我们只需要定义一种统一的描述方式即可. CTE定义了名为"事件"的如下数据结构(见abstract-machine/am/include/am.h):

typedef struct Event {
  enum { ... } event;
  uintptr_t cause, ref;
  const char *msg;
} Event;

其中event表示事件编号, cause和ref是一些描述事件的补充信息, msg是事件信息字符串, 我们在PA中只会用到event. 然后, 我们只要定义一些统一的事件编号(上述枚举常量), 让每个架构在实现各自的CTE API时, 都统一通过上述结构体来描述执行流切换的原因, 就可以实现切换原因的抽象了.

对于上下文, 我们只能将描述上下文的结构体类型名统一成Context, 至于其中的具体内容, 就无法进一步进行抽象了. 这主要是因为不同架构之间上下文信息的差异过大, 比如mips32有32个通用寄存器, 就从这一点来看, mips32和x86的Context注定是无法抽象成完全统一的结构的. 所以在AM中, Context的具体成员也是由不同的架构自己定义的, 比如x86-nemu的Context结构体在abstract-machine/am/include/arch/x86-nemu.h中定义. 因此, 在操作系统中对Context成员的直接引用, 都属于架构相关的行为, 会损坏操作系统的可移植性. 不过大多数情况下, 操作系统并不需要单独访问Context结构中的成员. CTE也提供了一些的接口, 来让操作系统在必要的时候访问它们, 从而保证操作系统的相关代码与架构无关.

最后还有另外两个统一的API:

• bool cte_init(Context* (*handler)(Event ev, Context *ctx))用于进行CTE相关的初始化操作. 其中它还接受一个来自操作系统的事件处理回调函数的指针, 当发生事件时, CTE将会把事件和相关的上下文作为参数, 来调用这个回调函数, 交由操作系统进行后续处理.
• void yield()用于进行自陷操作, 会触发一个编号为EVENT_YIELD事件. 不同的ISA会使用不同的自陷指令来触发自陷操作, 具体实现请RTFSC.

CTE中还有其它的API, 目前不使用, 故暂不介绍它们.

接下来, 我们将尝试在Nanos-lite中触发一次自陷操作, 来梳理过程中的细节.

设置异常入口地址

首先是按照ISA的约定来设置异常入口地址, 将来切换执行流时才能跳转到正确的异常入口. 这显然是架构相关的行为, 因此我们把这一行为放入CTE中, 而不是让Nanos-lite直接来设置异常入口地址. 你需要在nanos-lite/include/common.h中定义宏HAS_CTE, 这样以后, Nanos-lite会多进行一项初始化工作: 调用init_irq()函数, 这最终会调用位于abstract-machine/am/src/nemu/isa/$ISA/cte.c中的cte_init()函数. cte_init()函数会做两件事情, 第一件就是设置异常入口地址:

• 对x86来说, 就是要准备一个有意义的IDT
  1. 代码定义了一个结构体数组idt, 它的每一个元素是一个门描述符结构体
  2. 在相应的数组元素中填写有意义的门描述符, 例如编号为0x81的门描述符中就包含自陷操作的入口地址. 需要注意的是, 框架代码中还是填写了完整的门描述符(包括上文中提到的don't care的域), 这主要是为了进行DiffTest时让KVM也能跳转到正确的入口地址. KVM实现了完整的x86异常响应机制, 如果只填写简化版的门描述符, 代码就无法在其中正确运行. 但我们无需了解其中的细节, 只需要知道代码已经填写了正确的门描述符即可.
  3. 通过lidt指令在IDTR中设置idt的首地址和长度
• 对于mips32来说, 由于异常入口地址是固定在0x80000180, 因此我们需要在0x80000180放置一条无条件跳转指令, 使得这一指令的跳转目标是我们希望的真正的异常入口地址即可.
• 对于riscv32来说, 直接将异常入口地址设置到mtvec寄存器中即可.

cte_init()函数做的第二件事是注册一个事件处理回调函数, 这个回调函数由Nanos-lite提供, 更多信息会在下文进行介绍.

触发自陷操作

为了测试异常入口地址是否已经设置正确, 我们还需要真正触发一次自陷操作. 定义了宏HAS_CTE后, Nanos-lite会在panic()前调用yield()来触发自陷操作. 为了支撑这次自陷操作, 你需要在NEMU中实现isa_raise_intr()函数 (在nemu/src/isa/$ISA/system/intr.c中定义)来模拟上文提到的异常响应机制.

需要注意的是:

• PA不涉及特权级的切换, RTFM的时候你不需要关心和特权级切换相关的内容.
• 你需要在自陷指令的辅助函数中调用isa_raise_intr(), 而不要把异常响应机制的代码放在自陷指令的helper函数中实现, 因为在后面我们会再次用到isa_raise_intr()函数.
• 如果你选择的是x86, 通过IDTR中的地址对IDT进行索引的时候, 需要使用vaddr_read().

保存上下文

成功跳转到异常入口地址之后, 我们就要在软件上开始真正的异常处理过程了. 但是, 进行异常处理的时候不可避免地需要用到通用寄存器, 然而看看现在的通用寄存器, 里面存放的都是执行流切换之前的内容. 这些内容也是上下文的一部分, 如果不保存就覆盖它们, 将来就无法恢复这一上下文了. 但通常硬件并不负责保存它们, 因此需要通过软件代码来保存它们的值. x86提供了pusha指令, 用于把通用寄存器的值压栈; 而mips32和riscv32则通过sw指令将各个通用寄存器依次压栈.

除了通用寄存器之外, 上下文还包括:

• 触发异常时的PC和处理器状态. 对于x86来说就是eflags, cs和eip, x86的异常响应机制已经将它们保存在堆栈上了; 对于mips32和riscv32来说, 就是epc/mepc和status/mstatus寄存器, 异常响应机制把它们保存在相应的系统寄存器中, 我们还需要将它们从系统寄存器中读出, 然后保存在堆栈上.
• 异常号. 对于x86, 异常号由软件保存; 而对于mips32和riscv32, 异常号已经由硬件保存在cause/mcause寄存器中, 我们还需要将其保存在堆栈上.
• 地址空间. 这是为PA4准备的, 在x86中对应的是CR3寄存器, 代码通过一条pushl $0指令在堆栈上占位, mips32和riscv32则是将地址空间信息与0号寄存器共用存储空间, 反正0号寄存器的值总是0, 也不需要保存和恢复. 不过目前我们暂时不使用地址空间信息, 你目前可以忽略它们的含义.

于是, 这些内容构成了完整的上下文信息, 异常处理过程可以根据上下文来诊断并进行处理, 同时, 将来恢复上下文的时候也需要这些信息.

接下来代码会调用C函数__am_irq_handle()(在abstract-machine/am/src/$ISA/nemu/cte.c中定义), 来进行异常的处理.

事件分发

__am_irq_handle()的代码会把执行流切换的原因打包成事件, 然后调用在cte_init()中注册的事件处理回调函数, 将事件交给Nanos-lite来处理. 在Nanos-lite中, 这一回调函数是nanos-lite/src/irq.c中的do_event()函数. do_event()函数会根据事件类型再次进行分发. 不过我们在这里会触发一个未处理的4号事件:

[src/irq.c,5,do_event] system panic: Unhandled event ID = 4

这是因为CTE的__am_irq_handle()函数并未正确识别出自陷事件. 根据yield()的定义, __am_irq_handle()函数需要将自陷事件打包成编号为EVENT_YIELD的事件.

恢复上下文

代码将会一路返回到trap.S的__am_asm_trap()中, 接下来的事情就是恢复程序的上下文. __am_asm_trap()将根据之前保存的上下文内容, 恢复程序的状态, 最后执行"异常返回指令"返回到程序触发异常之前的状态.

不过这里需要注意之前自陷指令保存的PC, 对于x86的int指令, 保存的是指向其下一条指令的PC, 这有点像函数调用; 而对于mips32的syscall和riscv32的ecall, 保存的是自陷指令的PC, 因此需要在适当的地方对保存的PC加上4, 使得将来返回到自陷指令的下一条指令.

代码最后会返回到Nanos-lite触发自陷的代码位置, 然后继续执行. 在它看来, 这次时空之旅就好像没有发生过一样.

异常处理的踪迹 - etrace

处理器抛出异常也可以反映程序执行的行为, 因此我们也可以记录异常处理的踪迹(exception trace). 你也许认为在CTE中通过printf()输出信息也可以达到类似的效果, 但这一方案和在NEMU中实现的etrace还是有如下区别:

• 打开etrace不改变程序的行为(对程序来说是非侵入式的): 你将来可能会遇到一些bug, 当你尝试插入一些printf()之后, bug的行为就会发生变化. 对于这样的bug, etrace还是可以帮助你进行诊断, 因为它是在NEMU中输出的, 不会改变程序的行为.
• etrace也不受程序行为的影响: 如果程序包含一些致命的bug导致无法进入异常处理函数, 那就无法在CTE中调用printf()来输出; 在这种情况下, etrace仍然可以正常工作

事实上, QEMU和Spike也实现了类似etrace的功能, 如果在上面运行的系统软件发生错误, 开发者也可以通过这些功能快速地进行bug的定位和诊断.