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湖南大学-操作系统实验四

news 来源：原创 2025/7/5 16:51:30

HUNAN UNIVERSITY

操作系统实验报告

一、实验题目

实验四

中断、异常和陷阱指令是操作系统的基石，现代操作系统就是由中断驱动的。本实验和实验五的目的在于深刻理解中断的原理和机制，掌握CPU访问中断控制器的方法，掌握Arm体系结构的中断机制和规范，实现时钟中断服务和部分异常处理等。

实验环境

ubuntu20

实验步骤

一、陷入操作系统

如下图所示，操作系统是一个多入口的程序，执行陷阱（Trap）指令，出现异常、发生中断时都会陷入到操作系统。

二、ARMv8的中断与异常处理

ARMv8 架构定义了两种执行状态(Execution States)，AArch64 和AArch32。分别对应使用64位宽通用寄存器或32位宽通用寄存器的执行。

上图所示为AArch64中的异常级别(Exception levels)的组织。可见AArch64中共有4个异常级别，分别为EL0，EL1，EL2和EL3。在AArch64中，Interrupt是Exception的子类型，称为异常。 AArch64 中有四种类型的异常：

Sync（Synchronous exceptions，同步异常），在执行时触发的异常，例如在尝试访问不存在的内存地址时。

IRQ （Interrupt requests，中断请求），由外部设备产生的中断

FIQ （Fast Interrupt Requests，快速中断请求），类似于IRQ，但具有更高的优先级，因此 FIQ 中断服务程序不能被其他 IRQ 或 FIQ 中断。

SError （System Error，系统错误），用于外部数据中止的异步中断。

当异常发生时，处理器将执行与该异常对应的异常处理代码。在ARM架构中，这些异常处理代码将会被保存在内存的异常向量表中。每一个异常级别（EL0，EL1，EL2和EL3）都有其对应的异常向量表。需要注意的是，与x86等架构不同，该表包含的是要执行的指令，而不是函数地址 3 。

异常向量表的基地址由VBAR_ELn给出，然后每个表项都有一个从该基地址定义的偏移量。每个表有16个表项，每个表项的大小为128（0x80）字节（32 条指令）。该表实际上由4组，每组4个表项组成。分别是：

发生于当前异常级别的异常且SPSel寄存器选择SP0 4 ， Sync、IRQ、FIQ、SError对应的4个异常处理。

发生于当前异常级别的异常且SPSel寄存器选择SPx 4 ， Sync、IRQ、FIQ、SError对应的4个异常处理。

发生于较低异常级别的异常且执行状态为AArch64， Sync、IRQ、FIQ、SError对应的4个异常处理。

发生于较低异常级别的异常且执行状态为AArch32， Sync、IRQ、FIQ、SError对应的4个异常处理。

异常向量表

新建 src/bsp/prt_vector.S 文件，参照这里 3 定义异常向量表如下：

.section .os.vector.text, "ax"
.global OsVectorTable
.type OsVectorTable,function
.align 13
OsVectorTable:
.set VBAR, OsVectorTable
.org VBAR // Synchronous, Current EL with SP_EL0
EXC_HANDLE 0 OsExcDispatch
.org (VBAR + 0x80) // IRQ/vIRQ, Current EL with SP_EL0
EXC_HANDLE 1 OsExcDispatch
.org (VBAR + 0x100) // FIQ/vFIQ, Current EL with SP_EL0
EXC_HANDLE 2 OsExcDispatch
.org (VBAR + 0x180) // SERROR, Current EL with SP_EL0
EXC_HANDLE 3 OsExcDispatch
.org (VBAR + 0x200) // Synchronous, Current EL with SP_ELx
EXC_HANDLE 4 OsExcDispatch
.org (VBAR + 0x280) // IRQ/vIRQ, Current EL with SP_ELx
EXC_HANDLE 5 OsExcDispatch
.org (VBAR + 0x300) // FIQ/vFIQ, Current EL with SP_ELx
EXC_HANDLE 6 OsExcDispatch
.org (VBAR + 0x380) // SERROR, Current EL with SP_ELx
EXC_HANDLE 7 OsExcDispatch
.org (VBAR + 0x400) // Synchronous, EL changes and the target EL is using AArch64
EXC_HANDLE 8 OsExcDispatchFromLowEl
.org (VBAR + 0x480) // IRQ/vIRQ, EL changes and the target EL is using AArch64
EXC_HANDLE 9 OsExcDispatch
.org (VBAR + 0x500) // FIQ/vFIQ, EL changes and the target EL is using AArch64
EXC_HANDLE 10 OsExcDispatch
.org (VBAR + 0x580) // SERROR, EL changes and the target EL is using AArch64
EXC_HANDLE 11 OsExcDispatch
.org (VBAR + 0x600) // Synchronous, L changes and the target EL is using AArch32
EXC_HANDLE 12 OsExcDispatch
.org (VBAR + 0x680) // IRQ/vIRQ, EL changes and the target EL is using AArch32
EXC_HANDLE 13 OsExcDispatch
.org (VBAR + 0x700) // FIQ/vFIQ, EL changes and the target EL is using AArch32
EXC_HANDLE 14 OsExcDispatch
.org (VBAR + 0x780) // SERROR, EL changes and the target EL is using AArch32
EXC_HANDLE 15 OsExcDispatch
.text

可以看到：针对4组，每组4类异常共16类异常均定义有其对应的入口，且其入口均定义为 EXC_HANDLE vecId handler 的形式。

在 prt_reset_vector.S 中的 OsEnterMain: 标号后加入代码

OsVectTblInit: // 设置 EL1 级别的异常向量表
LDR x0, =OsVectorTable
MSR VBAR_EL1, X0

上下文保存与恢复

EXC_HANDLE 实际上是一个宏，其定义如下。

.global OsExcHandleEntry
.type OsExcHandleEntry, function
.macro SAVE_EXC_REGS // 保存通用寄存器的值到栈中
stp x1, x0, [sp,#-16]!
stp x3, x2, [sp,#-16]!
stp x5, x4, [sp,#-16]!
stp x7, x6, [sp,#-16]!
stp x9, x8, [sp,#-16]!
stp x11, x10, [sp,#-16]!
stp x13, x12, [sp,#-16]!
stp x15, x14, [sp,#-16]!
stp x17, x16, [sp,#-16]!
stp x19, x18, [sp,#-16]!
stp x21, x20, [sp,#-16]!
stp x23, x22, [sp,#-16]!
stp x25, x24, [sp,#-16]!
stp x27, x26, [sp,#-16]!
stp x29, x28, [sp,#-16]!
stp xzr, x30, [sp,#-16]!
.endm
.macro RESTORE_EXC_REGS // 从栈中恢复通用寄存器的值
ldp xzr, x30, [sp],#16
ldp x29, x28, [sp],#16
ldp x27, x26, [sp],#16
ldp x25, x24, [sp],#16
ldp x23, x22, [sp],#16
ldp x21, x20, [sp],#16
ldp x19, x18, [sp],#16
ldp x17, x16, [sp],#16
ldp x15, x14, [sp],#16
ldp x13, x12, [sp],#16
ldp x11, x10, [sp],#16
ldp x9, x8, [sp],#16
ldp x7, x6, [sp],#16
ldp x5, x4, [sp],#16
ldp x3, x2, [sp],#16
ldp x1, x0, [sp],#16
.endm
.macro EXC_HANDLE vecId handler
SAVE_EXC_REGS // 保存寄存器宏
mov x1, #\vecId // x1 记录异常类型
b \handler // 跳转到异常处理
.endm

EXC_HANDLE 宏的主要作用是一发生异常就立即保存CPU寄存器的值，然后跳转到异常处理函数进行异常处理。随后，我们继续在 src/bsp/prt_vector.S 文件中实现异常处理函数,包括 OsExcDispatch和OsExcDispatchFromLowEl。

.global OsExcHandleEntry
.type OsExcHandleEntry, function
.global OsExcHandleEntryFromLowEl
.type OsExcHandleEntryFromLowEl, function
.section .os.init.text, "ax"
.globl OsExcDispatch
.type OsExcDispatch, @function
.align 4
OsExcDispatch:
mrs x5, esr_el1
mrs x4, far_el1
mrs x3, spsr_el1
mrs x2, elr_el1
stp x4, x5, [sp,#-16]!
stp x2, x3, [sp,#-16]!
mov x0, x1 // x0：异常类型
mov x1, sp // x1: 栈指针
bl OsExcHandleEntry // 跳转到实际的 C 处理函数， x0, x1分别为该函数的第1，2个参数。
ldp x2, x3, [sp],#16
add sp, sp, #16 // 跳过far, esr, HCR_EL2.TRVM==1的时候，EL1不能写far, esr
msr spsr_el1, x3
msr elr_el1, x2
dsb sy
isb
RESTORE_EXC_REGS // 恢复上下文
eret //从异常返回
.globl OsExcDispatchFromLowEl
.type OsExcDispatchFromLowEl, @function
.align 4
OsExcDispatchFromLowEl:
mrs x5, esr_el1
mrs x4, far_el1
mrs x3, spsr_el1
mrs x2, elr_el1
stp x4, x5, [sp,#-16]!
stp x2, x3, [sp,#-16]!
mov x0, x1
mov x1, sp
bl OsExcHandleFromLowElEntry
ldp x2, x3, [sp],#16
add sp, sp, #16 // 跳过far, esr, HCR_EL2.TRVM==1的时候，EL1不能写far, esr
msr spsr_el1, x3
msr elr_el1, x2
dsb sy
isb
RESTORE_EXC_REGS // 恢复上下文
eret //从异常返回

OsExcDispatch 首先保存了4个系统寄存器到栈中，然后调用实际的异常处理 OsExcHandleEntry 函数。当执行完 OsExcHandleEntry 函数后，我们需要依序恢复寄存器的值。这就是操作系统课程中重点讲述的上下文的保存和恢复过程。

OsExcDispatchFromLowEl 与 OsExcDispatch 的操作除调用的实际异常处理函数不同外其它完全一致。

异常处理函数

新建 src/bsp/prt_exc.c 文件，实现实际的 OsExcHandleEntry 和 OsExcHandleFromLowElEntry 异常处理函数。

#include "prt_typedef.h"
#include "os_exc_armv8.h"
extern U32 PRT_Printf(const char *format, ...);
// ExcRegInfo 格式与 OsExcDispatch 中寄存器存储顺序对应
void OsExcHandleEntry(U32 excType, struct ExcRegInfo *excRegs)
{
PRT_Printf("Catch a exception.\n");
}
// ExcRegInfo 格式与 OsExcDispatchFromLowEl 中寄存器存储顺序对应
void OsExcHandleFromLowElEntry(U32 excType, struct ExcRegInfo *excRegs)
{
PRT_Printf("Catch a exception from low exception level.\n");
}

注意到上面两个异常处理函数的第2个参数是 struct ExcRegInfo * 类型，而在 src/bsp/prt_vector.S 中我们为该参数传递是栈指针 sp。所以该结构需与异常处理寄存器保存的顺序保持一致。新建 src/bsp/os_exc_armv8.h 文件，定义 ExcRegInfo 结构。

#ifndef ARMV8_EXC_H
#define ARMV8_EXC_H
#include "prt_typedef.h"
#define XREGS_NUM 31
struct ExcRegInfo {
// 以下字段的内存布局与TskContext保持一致
uintptr_t elr; // 返回地址
uintptr_t spsr;
uintptr_t far;
uintptr_t esr;
uintptr_t xzr;
uintptr_t xregs[XREGS_NUM]; // 0~30 : x30~x0
};
#endif /* ARMV8_EXC_H */

触发异常

释掉 FPU 启用代码，构建系统并执行发现没有任何信息输出，通过调试将会观察到异常。

系统调用

系统调用是通用操作系统为应用程序提供服务的方式，理解系统调用对理解通用操作系统的实现非常重要。下面我们来实现1条简单的系统调用。

EL 0 是用户程序所在的级别，而在lab1中我们已经知道CPU启动后进入的是EL1或以上级别。

在 main 函数中我们首先返回到 EL0 级别，然后通过 SVC 调用一条系统调用.

#include "prt_typedef.h"
extern U32 PRT_Printf(const char *format, ...);
extern void PRT_UartInit(void);
S32 main(void)
{
const char Test_SVC_str[] = "Hello, my first system call!";
PRT_UartInit();
PRT_Printf(" ##### \n");
PRT_Printf(" # # ###### # # #### # # # # # \n");
PRT_Printf(" # # ## # # # # # ## # \n");
PRT_Printf(" # #### ##### # # # #### ###### # # # # \n");
PRT_Printf(" # # # # # # # # # # # # # \n");
PRT_Printf(" # # # # # # # # # # # # # # \n");
PRT_Printf(" ##### ###### # # #### # # # # # \n");
PRT_Printf("ctr-a h: print help of qemu emulator. ctr-a x: quit emulator.\n\n");
// 回到异常 EL 0级别，模拟系统调用，查看异常的处理，了解系统调用实现机制。
// 《Bare-metal Boot Code for ARMv8-A Processors》
OS_EMBED_ASM(
"MOV X1, #0b00000\n" // Determine the EL0 Execution state.
"MSR SPSR_EL1, X1\n"
"ADR x1, EL0Entry\n" // Points to the first instruction of EL0 code
" MSR ELR_EL1, X1\n"
"eret\n" // 返回到 EL 0 级别
"EL0Entry: \n"
"MOV x0, %0 \n" //参数1
"MOV x8, #1\n" //在linux中,用x8传递 syscall number，保持一致。
"SVC 0\n" // 系统调用
"B .\n" // 死循环，以上代码只用于演示，EL0级别的栈未正确设置
::"r"(&Test_SVC_str[0])
);
// 在 EL1 级别上模拟系统调用
// OS_EMBED_ASM("SVC 0");
return 0;
}

系统调用实现

在 src/bsp/prt_exc.c 修改 OsExcHandleFromLowElEntry 函数实现 1 条系统调用。

extern void TryPutc(unsigned char ch);
void MyFirstSyscall(char *str)
{
while (*str != '\0') {
TryPutc(*str);
str++;
}
}
// ExcRegInfo 格式与 OsExcDispatch 中寄存器存储顺序对应
void OsExcHandleFromLowElEntry(U32 excType, struct ExcRegInfo *excRegs)
{
int ExcClass = (excRegs->esr&0xfc000000)>>26;
if (ExcClass == 0x15){ //SVC instruction execution in AArch64 state.
PRT_Printf("Catch a SVC call.\n");
// syscall number存在x8寄存器中, x0为参数1
int syscall_num = excRegs->xregs[(XREGS_NUM - 1)- 8]; //uniproton存储的顺序x0在高，x30在低
uintptr_t param0 = excRegs->xregs[(XREGS_NUM - 1)- 0];
PRT_Printf("syscall number: %d, param 0: 0x%x\n", syscall_num, param0);
switch(syscall_num){
case 1:
MyFirstSyscall((void *)param0);
break;
default:
PRT_Printf("Unimplemented syscall.\n");
}
}else{
PRT_Printf("Catch a exception.\n");
}
}

这段代码是一个异常处理程序和系统调用的实现。它展示了如何在异常处理过程中识别和处理系统调用。我们逐行分析代码：

extern void TryPutc(unsigned char ch);:
- 声明了一个外部函数 TryPutc，用于输出一个字符。这意味着函数的定义在别处，但在这里被引用。
void MyFirstSyscall(char *str):
- 声明了一个名为 MyFirstSyscall 的函数，该函数接受一个字符串指针作为参数。
{:
- 函数体的开始。
while (*str != '\0') {:
- 当字符串未结束时（即当前字符不是空字符 '\0'），继续循环。
TryPutc(*str);:
- 调用 TryPutc 函数输出当前字符。
str++;:
- 移动指针到下一个字符。
}:
- 循环结束。
}:
- MyFirstSyscall 函数结束。
// ExcRegInfo 格式与 OsExcDispatch 中寄存器存储顺序对应:
- 注释，解释 ExcRegInfo 结构的格式与 OsExcDispatch 中寄存器存储顺序相对应。
void OsExcHandleFromLowElEntry(U32 excType, struct ExcRegInfo *excRegs):
- 声明了一个名为 OsExcHandleFromLowElEntry 的函数，该函数接受一个异常类型和指向寄存器信息结构的指针。
{:
- 函数体的开始。
int ExcClass = (excRegs->esr & 0xfc000000) >> 26;:
- 提取异常类（Exception Class）字段，该字段位于异常状态寄存器（ESR）的高位。
if (ExcClass == 0x15){ // SVC instruction execution in AArch64 state.:
- 检查异常类是否为0x15（SVC指令执行）。
PRT_Printf("Catch a SVC call.\n");:
- 打印捕获到SVC调用的消息。
// syscall number存在x8寄存器中, x0为参数1:
- 注释，解释系统调用号在 x8 寄存器中，x0 为参数1。
int syscall_num = excRegs->xregs[(XREGS_NUM - 1) - 8];:
- 从寄存器数组中提取系统调用号，假设 x0 在高位，x30 在低位。
uintptr_t param0 = excRegs->xregs[(XREGS_NUM - 1) - 0];:
- 从寄存器数组中提取第一个参数。
PRT_Printf("syscall number: %d, param 0: 0x%x\n", syscall_num, param0);:
- 打印系统调用号和第一个参数。
- 空行，分隔代码块。
switch(syscall_num){:
- 开始处理系统调用号的 switch 语句。
case 1::
- 如果系统调用号为1。
MyFirstSyscall((void *)param0);:
- 调用 MyFirstSyscall 函数，传递第一个参数。
break;:
- 跳出 switch 语句。
default::
- 默认情况（未实现的系统调用）。
PRT_Printf("Unimplemented syscall.\n");:
- 打印未实现的系统调用的消息。
}:
- 结束 switch 语句。
} else {:
- 如果异常类不是0x15。
PRT_Printf("Catch a exception.\n");:
- 打印捕获到异常的消息。
- 空行，分隔代码块。
}:
- 结束 if-else 语句。
}:
- OsExcHandleFromLowElEntry 函数结束。

总结：

MyFirstSyscall 函数负责输出字符串。
OsExcHandleFromLowElEntry 函数负责处理异常，特别是识别和处理 SVC 调用（系统调用）。
当捕获到 SVC 调用时，函数提取系统调用号和参数，调用相应的系统调用处理函数。

Lab4作业

作业

查找启用FPU前异常出现的位置和原因。禁用FPU后PRT_Printf工作不正常，需通过调试跟踪查看异常发生的位置和原因elr_el1 esr_el1寄存器。

首先注释FPU，进入GDB调试：

进入异常向量表：

查看到ELR_EL1寄存器的值为0x400021e8，ESR_EL1寄存器的值为0x1fe0000。

五、总结

在实验过程中，对于 UniProton 系统更加熟悉了，并且通过自己去github 上查看了 libboundscheck 库，其选取并实现了常见的内存/字符串操作类的函数，如 memcpy_s、strcpy_s 等函数，并且处理边界检查函数的版本发布、更新以及维护，了解了这些开源项目的下载和如何自己去一步一步运行。

二、ARMv8的中断与异常处理

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