usertrap

xv6 中 usertrap 和 kerneltrap 是两种方式。对于 syscall 时的 usertrap，流程大概是 uSys.S -> ecall -> uservec -> usertrap -> syscall -> usertrapret -> userret -> sret。 感觉 xv6 里面的 usertrap 比较奇怪。

  1. riscv 的 ecall 只会修改 mode、保存 pc 到 sepc 以及跳到 stvec 三件事。
    1. 在这里，ecall 是 user mode 转 supervisor mode；
    2. stvec 指向的是 trampoline，也是 uservec。
    3. stvec 中的值是在第一个 hart 创建时在 kernel/main.c 中调用 trapinithart 时被存入的。
  2. uservec 中主要干四件事，
    1. 将一些 general reg 和 system reg 的值存到 trapframe 中；
    2. 将 trampoline 中的 kernel_sp、kernel_trap 等值存入 sp、t0 等寄存器中；
    3. 修改 satp 的值使内核使用 user pagetable 而非 kernel pagetable；
    4. 跳到 usertrap。
  3. usertrap 干的几件事。
    1. 修改 stvec 的值，从 user stvec 的 0x3ffffff000 到 0x80004f40 (kernelvec defined in kernelvec.S)。
    2. 【系统调用】xv6 中定义 syscall 的 scause 为 8。usertrap 开中断后会调用 syscall 函数。syscall 是系统调用的总入口。
  4. usertrap 结束后，会调用 usertrapret 结束陷入，会做一些回归 user mode 的工作。
    1. 关中断并恢复 user stvec 的值从 0x80004f40 到 0x3ffffff000。
    2. 将 sp、t0 等寄存器存入 trampoline 中的 kernel_sp、kernel_trap 中。
    3. 告知 cpu 下次执行 sret 后返回 user mode，并把 sret 执行需要的 pc。
    4. 跳转到 trampoline 中的 userret 中。
  5. userret 干的几件事：
    1. 切换到 user pagetable；
    2. 通过现有的 reg a0 (指向 trapframe，112(a0) 是 trapframe 中的 a0 的 address，这两个 a0 的概念不是一样的) 获取 syscall 的返回值并存入 reg a0；
    3. 恢复寄存器到陷入前状态，尤其是把 sscratch 重新指向 trapframe；
    4. sret 返回，从 supervisor mode 恢复到 user mode 并恢复 pc。

注

  1. sscratch 用于保存 kernel stack address。在 supervisor mode 下，sscratch 的值不重要。
  2. user 的 stvec 和 kernel 的 stvec 不是同一个。
  3. 一个非常简单的道理，xv6 被划分成了 kernel 目录与 user 目录，那自然 user/usys.S 中的 .global write 等系统调用 entry 执行时的 OS 在 user mode；而 ecall 后跳转到的位于 kernel/trampoline.S 的 uservec 在 supervisor mode。虽然 mode 变了，但 kernel 目录下的代码并非都在 “完全” 的内核态中运行，存在部分代码运行时还有 system reg 没修改过。
  4. 比如 uservec 修改页表之后再跳转到 usertrap 就是一个非常简单的道理。

  5. 在 userret 的最开始，a0 仍旧指向 trapframe (因为在 uservec 的最开始，csrrw a0, sscratch, a0 就把 sscratch 中存的 trapframe 赋给 a0 了)，为了获取 syscall 的返回值 (同样存在 a0，但是是 trapframe 中的 a0)，所以使用 112(a0) 先获取返回值到某一寄存器中，然后再运作到真正的 a0 中。

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    struct trapframe {
    /*   0 */ uint64 kernel_satp;   // kernel page table
    /*   8 */ uint64 kernel_sp;     // top of process's kernel stack
    /*  16 */ uint64 kernel_trap;   // usertrap()
    /*  24 */ uint64 epc;           // saved user program counter
    /*  32 */ uint64 kernel_hartid; // saved kernel tp
    /* balabala */
    /* 112 */ uint64 a0;
    /* balabala */
    };