MIT6828-HW5-xv6 CPU alarm

Posted on | In , ,

本作业将实现对使用CPU的进程进行周期性提醒，通过该练习，我们可以实现一个基础的用户层面的中断/错误处理机制。

目标

添加一个新的alarm(interval, handler)系统调用。如果某个程序调用了alarm(n, fn)，那么经过$n$个CPU时钟周期后，内核调用函数fn，当fn返回后，应用会从其被中断的地方继续运行。创建一个alarmtest.c程序：

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
#include "types.h"
#include "stat.h"
#include "user.h"

void periodic();

int
main(int argc, char *argv[])
{
  int i;
  printf(1, "alarmtest starting\n");
  alarm(10, periodic);
  for(i = 0; i < 25*500000; i++){
    if((i % 250000) == 0)
      write(2, ".", 1);
  }
  exit();
}

void
periodic()
{
  printf(1, "alarm!\n");
}

这个程序调用了alarm(10, periodic);系统调用，每10个ticks调用一次periodic函数，这个函数的输出如下：

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
$ alarmtest
alarmtest starting
.....alarm!
....alarm!
.....alarm!
......alarm!
.....alarm!
....alarm!
....alarm!
......alarm!
.....alarm!
...alarm!
...$

注意事项

本文需要对CPU的执行时间进行精确跟踪，因此这里只考虑单个CPU的情况，因此调试时执行下面的语句：

1
make CPUS=1 qemu  # 设置CPU数为1

这样内核会以单CPU启动

实现步骤

框架搭建

将alarmtest.c添加为用户程序

在Makefile中的UPROGS字段添加_alarmtest

系统调用框架编写

在user.h中添加系统调用声明：

1
int alarm(int ticks, void (*handler)());

更新syscall.h和usys.S，添加对alarm的支持字段。

更改进程描述符

在proc.h中更改进程描述符，添加用于保存alarm的interval和handler字段

1
2
3
int alarmticks;          // 定时中断时长
int passedticks;         // 自alarmhandler上次调用后经过的时间
void (*alarmhandler)();  // 中断服务函数

编写系统调用

系统调用作业中给我们提供了，代码如下：

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
int
sys_alarm(void)
{
    int ticks;
    void (*handler)();

    if(argint(0, &ticks) < 0)
        return -1;
    if(argptr(1, (char**)&handler, 1) < 0)
        return -1;
    myproc()->alarmticks = ticks;
    myproc()->alarmhandler = handler;
    return 0;
}

功能很简单，就是设置定时中断时长和中断服务函数。至此我们已经搭建好了框架，现在我们要修改trap，实现定时中断。我们先编译程序，现在程序能够使用sys_alarm系统调用，但是这个调用目前只是修改了进程结构体，没有实际地触发中断。执行make qemu-gdb打开调试，在sys_alarm处设置断点，然后继续运行至系统调用。系统调用是根据系统调用号触发的，这个序号保存在eax中

1
2
print myproc()->tf->eax
23   # 系统调用入口为23

在gdb中执行如下命令，可以查看进程的栈

1
2
x/4x myproc()->tf->esp
0x2fac: 0x00000034  0x0000000a  0x00000090 0x00000000

用户栈地址为0x2fac，其中保存了系统调用的参数ticks和handler，分别为10和0x00000090。

需要解决的问题：

为了实现这个系统调用，我们还需要考虑如下问题：

  • 由系统调用触发中断后，在哪里执行中断服务函数，在trap()中不太好，那么是不是得换个地方
  • 如何执行中断服务函数？
  • 中断后如何保护现场，如何恢复现场？

完整实现

中断是如何进入的

中断是从vector.S进入的，启动内核后，我们可以在vector32处设置断点

1
2
3
4
5
6
7
break vector32

.globl vector32
vector32:
  pushl $0
  pushl $32
  jmp alltraps

32即对应定时器，在跳转到alltraps后，内核会进入trapasm.S，最终跳转至trap函数

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
  #include "mmu.h"

  # vectors.S sends all traps here.
.globl alltraps
alltraps:
  # Build trap frame.  将现场保存至内核堆栈中
  pushl %ds
  pushl %es
  pushl %fs
  pushl %gs
  pushal
  
  # Set up data and per-cpu segments.
  movw $(SEG_KDATA<<3), %ax
  movw %ax, %ds
  movw %ax, %es
  movw $(SEG_KCPU<<3), %ax
  movw %ax, %fs
  movw %ax, %gs

  # Call trap(tf), where tf=%esp
  pushl %esp
  call trap     # 进入trap中
  addl $4, %esp

tick中断处理

在每一次时钟中断后，应当更新进程计时器，判断是否达到了计时数，如果达到了，执行中断服务函数，并将计时器置0。在进程描述符中，我们使用passedticks记录已经经过的时间，所以我们在定时中断中的框架如下：

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
case T_IRQ0 + IRQ_TIMER:
    if(cpu->id == 0){
      acquire(&tickslock);
      ticks++;
      
      // You code here
      /**********************************************************/
      if(myproc() != 0 && (tf->cs & 3) == 3) {   // 进程有效且来自用户空间
          myproc() -> passedticks++;
          if(myproc() -> passedticks >= myproc() -> alarmticks){ //超时
              //执行handler函数
              tf->eip = myproc()->alarmhandler();  //这样对吗
              //更新计时器
              myproc() -> passedticks = 0;
          }
      }
      /**********************************************************/
        
      wakeup(&ticks);
      release(&tickslock);
    }
    lapiceoi();
    break;

参考文献

0%