清华大学开源操作系统训练营: rCore chapter3练习

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练习实验书: https://learningos.cn/rCore-Tutorial-Guide-2023A/chapter3/5exercise.html

我的代码: https://github.com/ToniXWD/2023a-rcore-ToniXWD/tree/ch3

1 编程作业

ch3 中，我们的系统已经能够支持多个任务分时轮流运行，我们希望引入一个新的系统调用 sys_task_info 以获取当前任务的信息…

  1. 在task.rs中的TaskControlBlock结构体增加sys_call_times数组, 用于记录当前task中各个系统调用的次数
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    /// The task control block (TCB) of a task.
     #[derive(Copy, Clone)]
     pub struct TaskControlBlock {
         /// The task status in it's lifecycle
         pub task_status: TaskStatus,
         /// The task context
         pub task_cx: TaskContext,
         /// syscall time count
         pub sys_call_times: [u32; MAX_SYSCALL_NUM], // 新增
     }
  2. 每次执行系统调用时, 将全局变量TASK_MANAGER中当前任务current_task对应的TaskControlBlock结构体的系统调用记录自增
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    pub fn syscall(syscall_id: usize, args: [usize; 3]) -> isize {
         increase_sys_call(syscall_id); // 新增
         match syscall_id {
             SYSCALL_WRITE => sys_write(args[0], args[1] as *const u8, args[2]),
             SYSCALL_EXIT => sys_exit(args[0] as i32),
             SYSCALL_YIELD => sys_yield(),
             SYSCALL_GET_TIME => sys_get_time(args[0] as *mut TimeVal, args[1]),
             SYSCALL_TASK_INFO => sys_task_info(args[0] as *mut TaskInfo),
             _ => panic!("Unsupported syscall_id: {}", syscall_id),
         }
     }
  3. 为TaskManager实现get_sys_call_times方法, 获取当前任务current_task对应的TaskControlBlock结构体的系统调用数组的拷贝
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       fn get_sys_call_times(&self) -> [u32; MAX_SYSCALL_NUM] {
        let inner: core::cell::RefMut<'_, TaskManagerInner> = self.inner.exclusive_access();
        inner.tasks[inner.current_task].sys_call_times.clone()
    }
  4. 完成process.rs的sys_task_info, 调用get_sys_call_times和get_time_ms获取TaskInfo结构体的syscall_times和time部分, status部分设为Running
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    pub fn sys_task_info(_ti: *mut TaskInfo) -> isize {
         trace!("kernel: sys_task_info");
         unsafe {
             *_ti = TaskInfo {
                 status: TaskStatus::Running,
                 syscall_times: get_sys_call_times(),
                 time: get_time_ms(),
             }
         }
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     }

2 简答作业

2.1 简答作业第一部分

正确进入 U 态后，程序的特征还应有：使用 S 态特权指令，访问 S 态寄存器后会报错。 请同学们可以自行测试这些内容 (运行 Rust 三个 bad 测例 (ch2b_bad_*.rs) ， 注意在编译时至少需要指定 LOG=ERROR 才能观察到内核的报错信息) ， 描述程序出错行为，同时注意注明你使用的 sbi 及其版本。

Rustsbi 版本为: 0.2.0-alpha.2

出现报错: 

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[kernel] PageFault in application, bad addr = 0x0, bad instruction = 0x804003c4, kernel killed it.
[kernel] IllegalInstruction in application, kernel killed it.
[kernel] IllegalInstruction in application, kernel killed it.

ch2b_bad_address.rs 由于除0错误触发异常退出
ch2b_bad_instructions.rs 在用户态非法使用指令sret
ch2b_bad_register.rs 在用户态非法使用指令csrr

2.2 简答作业第二部分

深入理解 trap.S 中两个函数 __alltraps 和 __restore 的作用，并回答如下问题:

2.2.1 L40：刚进入 __restore 时，a0 代表了什么值。请指出 __restore 的两种使用情景。

  1. 刚进入 __restore 时，a0 代表了系统调用的第一个参数
  2. __restore 的作用包括:
  • 从系统调用和异常返回时, 恢复要返回的用户态的上下文信息
  • 任务切换时, 恢复要切换的任务的上下文信息

2.2.2 L43-L48：这几行汇编代码特殊处理了哪些寄存器？这些寄存器的的值对于进入用户态有何意义？请分别解释。

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ld t0, 32*8(sp) # 内核栈 32*8(sp) 处存储了原 sstatus 寄存器的值, 将其读取到 t0
ld t1, 33*8(sp) # 内核栈 32*8(sp) 处存储了原 sepc 寄存器的值, 将其读取到 t1
ld t2, 2*8(sp) # 内核栈 32*8(sp) 处存储了原 sscratch 寄存器的值, 将其读取到 t2
csrw sstatus, t0 # 将 t0中原 sstatus 寄存器的值读取到 sstatus
csrw sepc, t1 # 将 t0中原 sepc 寄存器的值读取到 sepc
csrw sscratch, t2 # 将 t0中原 sscratch 寄存器的值读取到 sscratch

2.2.3 L50-L56：为何跳过了 x2 和 x4？

  1. 跳过x2是因为x2对应的用户栈指针保存到了sscratch寄存器, 不需要从内核栈中进行恢复
  2. 跳过x4是因为并没有使用它, 所以无需恢复

2.2.4 L60：该指令之后，sp 和 sscratch 中的值分别有什么意义？

sp指向用户栈, sscratch指向内核栈

2.2.5 __restore：中发生状态切换在哪一条指令？为何该指令执行之后会进入用户态？

sret后发生了状态切换, 执行该指令后, PC设置为 sepc 寄存器的值。sepc 存储着产生中断或异常前的指令地址，因此这实现了到原始代码的返回。

2.2.6 L13：该指令之后，sp 和 sscratch 中的值分别有什么意义？

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csrrw sp, sscratch, sp

sp, sscratch寄存器的内容被交换, sp保存了原sscratch中的内核栈指针, sscratch保存了原sp中的用户栈栈指针

2.2.7 从 U 态进入 S 态是哪一条指令发生的？

ecall指令