rCore Ch2 笔记

最近开始刷 rCore 第三版教程 ，尝试用 Rust 在 RISC-V 模拟器上实现一个操作系统内核。在这里留下一些实现过程中踩的坑以及相关的笔记。笔记从教程的第二章开始编号。之所以不从第一章开始，是因为第一章的内容不是很多，所以就和第二章一起写了，如果之前有写过操作系统相关或者 bare metal 的代码，很快就能上手。

对应的代码在这里

启动流程

RISCV-V 芯片启动，进行一些简单的初始化后，就将运行放置到内存地址 0x1000 处的 SBI 代码（在我们平常使用的电脑上，负责同样功能的程序被叫做 BIOS ）对芯片进行初始化操作。在使用 qemu 运行的 rCore 内核实验中，我们使用了 rustsib-qemu 作为内核的引导程序。在完成初始化工作后， CPU 将会转到 Supervisor 特权级，并且跳转到 0x80200000 继续执行。关于特权级的描述稍后进行。

为了让我们的内核可以在 SBI 完成工作后可以运行，我们需要使用链接器脚本将内核的入口地址放到地址 0x80200000 处。

1. 将入口函数的段标记为 .text.entry 。
2. 在 linker.ld 中将 .text.entry 放到 0x80200000

SECTIONS {
    ...
    . = 0x80200000
    .text : {
        *(.text.entry)
        *(.text .text.*)
    }
    ...
}

SBI 提供的服务

就像操作系统可以给应用程序提供系统调用的接口一样，SBI 也为 Supervisor 特权级运行的内核代码提供了接口使用硬件的服务。按照 SBI 的标准，我们可以向下面这样调用 SBI 提供的接口。

pub fn ecall(extension: usize, fid: usize, args: [3; usize]) -> usize {
    let mut ret;
    unsafe {
        asm!(
            "ecall",
            inlateout("x10") arg[0] => ret,
            in("x11") arg[1],
            in("x12") arg[2],
            in("x16") fid,
            in("x17") extension,
        );
    }
    ret
}

上面的例子可以调用一个最多三个参数的 SBI 接口。 ecall 指令可以让我们将 CPU 的特权级提升（或者不变），我们实现的操作系统内核也可以提供类似的 ABI 接口供应用程序调用，也就是系统调用。与 ecall 指令相对的，还有一个 eret 指令，可以将 CPU 退回到之前的特权级，关于中断与异常的部分会在「处理中断与异常」的部分作更多的介绍。

RISCV-V Call Convention

当我们编写内核代码时，难免会进行函数调用。函数调用的过程中，可能会使用一些寄存器，其中的数值可能会被覆盖，为了让调用函数的过程可以成功继续执行，我们需要恢复调用者的寄存器状态。哪些寄存器需要保存，哪些不需要，每个寄存器什么用处，这就是 Call Conventions 「调用约定」（如果你曾经写过汇编，或者做过 FFI 相关的项目，你应该知道我在说什么）。

下面是 RISC-V 的调用约定。

在我们进行函数调用的地方，编译器都会为我们生成类似的代码：

__function:
    addi sp, sp, -64 # 分配栈
    sd ra, 56(sp) # 保存返回地址
    sd s0, 48(sp) # 保存 frame pointer
    addi s0, sp, 64 # 新的 frame pointer

    # Some code

    ld ra, 56(sp) # 恢复返回地址
    ld s0, 48(sp) # 恢复 frame pointer
    addi sp, sp, 64 # 恢复栈
    ret

为了让我们的内核支持函数调用，我们需要做到以下几点。

1. 为函数调用提供一个栈，将 sp 指向栈的顶部（因为栈是向下增长的）。
2. 为每一次函数调用的周围做好执行环境的保存与恢复工作。这一项工作通常有编译器帮助我们执行。

特权级

为了让应用程序出现故障时，不会让整个计算机停止运行，同时为了限制应用程序进行某些需要特权的操作， RISC-V 提供了多个特权级： Machine 、Hypervisor 、Supervisor 、User 。当应用程序发生错误时，会陷入到内核中进行处理，终止应用程序的执行，恢复整个系统的运行。也可以使用 ecall 调用系统提供的服务。

• ecall : 可以使得 CPU 提升到不低于当前特权级的状态。
• eret : 可以使得 CPU 恢复到不高于当前特权级的状态。

这两条命令进行组合，就可以实现系统调用的功能，向应用程序提供服务。

处理中断和异常

在我们实现的内核中，我们要做的事情非常简单：当应用程序 trap 到内核中后，调用相应的代码处理异常 / 中断，最后返回用户态执行。在处理中断的过程中，需要注意这些寄存器：

为了能够处理中断，我们需要完成下面的工作：

1. 编写处理 trap 的代码，把地址写入 stvec 寄存器中。这里 stvec 被设置为了 Direct 模式，直接写入地址就行了。
2. 编写恢复用户态的代码。
3. 在进入 trap 后，需要将 sp 设置到内核栈。返回时重新指向用户栈。（用 sscratch 保存）

为了正确恢复用户态的执行，我们需要保存所有通用寄存器的数值到内核栈中——这里不存在由调用者保存与由被调用者保存，所有的寄存器在内核处理其间都有可能被使用。同时需要保存 sepc 的寄存器的值，这里考虑到了嵌套 trap 与切换任务的可能（在 Ch3 中有涉及）。

在 rCore 的代码中我们可以发现这样一个结构。

__alltraps:
    # 保存状态到栈上
    # 调用处理 trap 各种情况的函数

__restore:
    # 恢复状态
    # 返回用户态
    sret

这里看似有两个函数 __alltraps 和 __restore ，但在调用 alltraps 的过程中只有一个函数，因为在 restore 前并没有 ret 。restore 可以用于运行第一个任务：构造一个保存用户态状态的地址，将 sp 指向这个地址，调用 restore 就可以运行构造的程序。

运行应用程序

通过构造「用户态寄存器状态」调用 restore 即可执行。