Výnimky

V tomto labe sa dozviete, ako sú implementované systémové volania pomocou výnimiek. Prvá časť cvičenia sú zahrievacie úlohy so zásobníkmi a v druhej časti implementujete obsluhu výnimiek z užívateľského prostredia.

Na začiatok sa prepnite do vetvy trap:

Riešenia úloh z tohto cvičenia ukladajte do vetvy traps. Túto vetvu budeme kontrolovať v rámci priebežnej kontroly repozitárov. Viac informácií k hodnoteniu repozitárov nájdete na príslušnej stránke.

Assembly architektúry RISC-V (ľahká)

Budete musieť pochopiť niekoľko inštrukcií RISC-V. V repozitári nájdete súbor user/call.c. Skompilovať ho môžete príkazom make fs.img. Týmto tiež vytvoríte disassemblovanú verziu programu v súbore user/call.asm.

Prečítajte kód v súbore call.asm funkcií g(), f(), and main(). Stiahnite si manuál k inštrukciám RISC-V na stránke MIT. Po preštudovaní kódu odpovedajte na tieto otázky do príslušného súboru podľa testovacieho skriptu.

Odpovede na otázky zapíšte do príslušných súborov podľa testovacieho skriptu.

Backtrace (stredná)

Počas ladenia je dobré mať backtrace: zoznam vnorených volaní funkcií na zásobníku, ktoré boli volané pred výskytom chyby.

Do každého zásobníkového rámca kompilátor vloží rámcový smerník, ktorý ukazuje na adresu rámcového smerníka volajúceho. Vo vašej funkcii backtrace použijete tieto rámcové smerníky na postupné prejdenie zásobníka a vypíšete návratové hodnoty každého zásobníkového rámca.

Pomôcky:

• Prototyp funkcie backtrace() pridajte do kernel/defs.h, aby ste ju mohli zavolať zo sys_sleep().
• Kompilátor GCC ukladá rámcový smerník práve vykonávanej funkcie do registra s0. Do kernel/riscv.h pridajte túto funkciu:
  
  static inline uint64 r_fp() { uint64 x; asm volatile("mv %0, s0" : "=r" (x) ); return x; }

  1 2 3 4 5 6 7

  static inline uint64 r_fp() {   uint64 x;   asm volatile("mv %0, s0" : "=r" (x) );   return x; }

  
  a zavolajte ju v backtrace(), aby ste získali aktuálny rámcový smerník. Táto funkcia používa in-line assembly kód na prečítanie registra s0.
• Tieto poznámky obsahujú diagramy s rozložením zásobníkových rámcov. Všimnite si, že návratové adresy sú na pevnom offsete (−8) od rámcového smerníka zásobníkového rámca. Uložený zásobníkový smerník je podobne na pevnom offsete (−16) od rámcového smerníka.
• Xv6 alokuje jednu stránku pre každý zásobník. Adresa zásobníka je teda zarovnaná na stránku. Hornú a dolnú adresu zásobníka viete vypočítať makrami PGROUNDDOWN(fp) a PGROUNDUP(fp) (viď kernel/riscv.h. Tieto čísla sú užitočné, aby backtrace vedel ukončiť svoj cyklus.

Keď budete mať backtrace() funkčný, zavolajte ho z funkcie panic v kernel/printf.c. Takto budete môcť vidieť backtrace jadra vždy, keď spanikári.

Po úspešnom dokončení úlohy nezabudnite vytvoriť commit!

Alarm (ťažká)

Vytvorte nové systémové volanie sigalarm(interval, handler). Po tom, ako aplikácia zavolá sigalarm(n, fn), bude pravidelne každých n tikov procesora zavolaná funkcia fn. Po návrate z fn musí aplikácia pokračovať na tom mieste užívateľskej aplikácie, kde bola prerušená spustením funkcie fn. Pozn.: tik je nezávislá jednotka, jej veľkosť je určená hardvérovým časovačom. Ak aplikácia zavolá sigalarm(0, 0), jadro musí prestať generovať volania alarmu.

Aby ste mohli svoju implementáciu otestovať, musíte mať implementované systémové volania sigalarm a sigreturn (viď nižšie). V repozitári nájdete súbor user/alarmtest.c. Pridajte ho do Makefile, aby bol kompilovaný.

alarmtest() zavolá sigalarm(2, periodic) vo funkcii test0(). Týmto vyžiada od jadra, aby zavolalo funkciu periodic() každé 2 tiky. Assembly kód programu v súbore user/alarmtest.asm sa vám môže hodiť na ladiace účely. Korektné riešenie by malo mať nasledovný výstup pre alarmtest (vrátane úspešných usertests):

Riešenie pozostáva iba z niekoľkých riadkov kódu, ale musíte nad nimi dobre porozmýšľať. Váš kód si môžete otestovať pomocou programu alarmtest.c. Môžete ho upraviť na testovacie účely, ale pred riadnym testovaním ho musíte vrátiť do pôvodného stavu.

test0: vyvolanie obslužnej funkcie

Začnite úpravou jadra, aby skočil na obsluhu alarmu v užívateľskom priestore – v test0 vypíše alarm!. Zatiaľ vás nemusí zaujímať, čo sa stane po tomto výpise; je v poriadku, ak program padne. Pomôcky:

• Už sme to napísali vyššie, ale pre istotu zopakujeme – musíte upraviť Makefile, aby bol alarmtest.c skompilovaný ako užívateľský program.

• Do user/user.h pridajte tieto deklarácie (a zamyslite sa nad tým, čo znamenajú):

  int sigalarm(int ticks, void (*handler)()); int sigreturn(void);

  1 2	int sigalarm(int ticks, void (*handler)());     int sigreturn(void);

• Upravte user/usys.pl (tento skript generuje súbor user/usys.S), kernel/syscall.h a kernel/syscall.c, aby mohol alarmtest vyvolať systémové volanie sigalarm a sigreturn.
• Súbor kernel/syscall.c by ste mali rozšíriť o externé deklarácie funkcií sys_sigreturn() a sys_sigalarm(), a taktiež tabuľku obslužných funkcií systémových volaní. Spolu s tým súvisí úprava súboru kernel/syscall.h: treba priradiť číselné hodnoty novým systémovým volaniam.
• Zatiaľ stačí, ak sys_sigreturn() (funkciu definujte v súbore kernel/sysproc.c) vráti nulu.
• Funkcia sys_sigalarm() (tiež v tom istom súbore) by mala uložiť interval alarmu a smerník na obslužnú funkciu v nových poliach štruktúry proc (v kernel/proc.h) – musíte ich tam vytvoriť.
• Musíte si tiež niekde ukladať koľko tikov uplynulo od posledného volania obslužnej funkcie (resp. koľko tikov zostáva do ďalšieho alarmu). Najvhodnejším miestom sa nám opäť zdá štruktúra proc (viď bod vyššie). Polia štruktúry proc môžete inicializovať vo funkcii allocproc() v proc.c.
• Ako počítať tiky? Hardvérové hodiny neustále tikajú a vyvolávajú prerušenia, ktoré sú obslúžené v usertrap(); mali by ste tam pridať nejaký kód

• Počet tikov procesu by ste mali upraviť, len ak je proces prerušený časovačom; vyzerať by to malo nejako takto:

  if(which_dev == 2) ...

  1	if(which_dev == 2) ...

• Funkciu obsluhy vykonajte iba vtedy, ak proces požiadal o alarm. Ale pozor, adresa funkcie môže byť aj nulová (napr. v alarmtest.asm, funkcia periodic() je na adrese 0).

• Musíte zariadiť, aby obsluha alarmu bola vyvolaná, keď uplynie stanovený interval tikov. Na to musíte upraviť funkciu usertrap() v kernel/trap.c. Musíte pochopiť, ako fungujú systémové volania (teda kód v kernel/trampoline.S a kernel/trap.c). Ktorý register obsahuje adresu užívateľskej inštrukcie, do ktorej sa má systémové volanie vrátiť?

• S gdb sa ťažšie ladí kód výnimiek s viacerými procesormi. Uľahčite si prácu a povedzte qemu, aby použil iba jeden procesor:
  
  make CPUS=1 qemu-gdb

  1	make CPUS=1 qemu-gdb

• Máte to hotové, ak alarmtest vypíše alarm!, resp. test0: passed.

test1/test2(): vrátenie do prerušeného kódu

S veľkou pravdepodobnosťou vám alarmtest padá v teste 0 alebo 1, prípadne po vypísaní alarm!, alebo alarmtest skončí bez výpisu test1 passed. Aby ste to opravili, musíte po ukončení obsluhy alarmu vrátiť riadenie na inštrukciu užívateľského programu, ktorá bola prerušená časovačom. Obsah registrov musí byť navrátený do stavu, v akom bol pred prerušením, aby mohol program pokračovať po obsluhe alarmu. Taktiež musíte resetovať počítadlo alarmu pre daný proces, aby bol po stanovenom počte tikov znovu vyvolaný.

Aby sa vám lepšie s touto úlohou začínalo, alarmový systém sme navrhli tak, aby každá obslužná funkcia alarmu zavolala systémové volanie sigreturn po dokončení obsluhy. V praxi to môžete vidieť vo funkcii periodic() v alarmtest.c. To znamená, že môžete pridať kód do usertrap() a sys_sigreturn(), ktorý pomáha riadne obnoviť proces po obsluhe alarmu.

Pomôcky:

• Vo vašom riešení musíte uložiť a obnoviť registre – ktoré registre musíte uložiť a obnoviť, aby mohol prerušený kód bezproblémovo pokračovať? (Pomôcka: je ich fakt veľa).
• Upravte usertrap() tak, aby ste pred spustením funkcie alarmu uložili dostatočné množstvo informácií o stave užívateľského vlákna do struct proc, aby ste v obsluhe systémového volania sigreturn() dokázali korektne obnoviť beh prerušeného užívateľského kódu.
• Nevolajte obsluhu, ak obsluha ešte prebieha! Testuje to test2.
• Nezabudnite na to, že všetky registre musia mať pôvodné hodnoty z okamihu vyvolania prerušenia časovača. Testuje to test3 (viď nižšie).

test3(): kontrola integrity registrov

Vaše riešenie musí ešte spĺňať tretí test, ktorý musíte ručne pridať do vašich repozitárov. Postupujte takto:

1. Stiahnite si patch pre repozitár a uložte ho niekde na disku (ideálne do priečinka s xv6 repozitárom)
2. Prejdite do priečinka s repozitárom a aplikujte patch pomocou (uveďte k nemu správnu cestu; príklad počíta, že ste ho umiestnili do koreňového priečinka repozitára):
   
   git apply test3.diff

   1	git apply test3.diff

3. Skontrolujte, či bol patch správne aplikovaný (prázdny výstup signalizuje korektnú aplikáciu) a súbor s patchom následne vymažte, aby vám nezavadzal v repozitári.
4. Na záver je vhodné nový test commitnúť do repozitára:
   
   git add user/alarmtest.c grade-lab-traps git commit -m "test: test3 for alarm"

   1 2	git add user/alarmtest.c grade-lab-traps git commit -m "test: test3 for alarm"

   
   A teraz môžete pracovať na implementácii splnenia testu. Pomôcka: použite gdb a sledujte hodnotu registra a0 počas návratu zo systémového volania sigreturn.

Keď prejdete testami test0, test1, test2 a test3, spustite usertests a skontrolujte, či ste nepoškodili nejaké iné časti jadra.

Po úspešnom dokončení úlohy nezabudnite vytvoriť commit!

Týmto je cvičenie ukončené. Skontrolujte, či váš kód prechádza všetkými make grade testami. Aby ste prešli posledným testom time, musíte vytvoriť nový súbor time.txt, v ktorom uvediete počet hodín, ktorý ste strávili nad zadaním ako celé číslo. Na záver aj túto zmenu commitnite do repozitára.

Voliteľné úlohy

• Vypíšte názvy funkcií a čísel riadkov vo funkcii backtrace() namiesto číselných adries (ťažká).