NEMU PA 4 实验报告

一、实验目的

在前面的PA123中，我们分别实现了基本的运算单元，实现了各种指令和程序的装载，实现了存储器的层次结构。而在PA4中，为了让NEMU可以处理异常情况以及和外设交互，我们要做的事情有以下：

• PA4-1：为NEMU添加异常和中断支持
• PA4-2：为NEMU添加外设与IO支持

二、实验步骤

PA4-1 异常和中断响应

我们上课时了解到，打断系统运行的特殊事件有两样：异常和中断。它们俩的分类如下：

• 内部异常：在执行一条指令时，由处理器在其内部检测到的，与正在执行的指令相关的同步事件
  • 故障：缺页、非法操作码、除数为零……
  • 陷阱：用户程序主动调用操作系统处理例程
  • 终止：执行指令时发生严重错误，如内存校验错误
• 外部中断：典型地由I/O设备触发，与当前正在执行的指令无关的异步事件

那么我们操作系统是怎样响应它们的呢？

1. OS需要先初始化中断描述符表IDT。

   在NEMU中就是kernel在init_cond()函数中调用了位于kernel/src/irq/idt.c的init_idt()，这个函数中将IDT初始化如下：

   

   vec的那一列就是定义的一系列异常和中断响应程序及其入口，实现位于kernel/src/irq/do_irq.S。

2. 然后进程执行过程中CPU检测到异常或中断后，立刻保护当前程序执行状态。

3. 再根据异常和中断号去查表得到处理程序的入口地址，转到OS提供的异常/中断处理程序继续执行。

4. 处理完后恢复现场，返回原程序继续。

好，现在让我们来看看NEMU是怎么具体实现对中断和异常的处理的：

首先，无论是中断还是异常的处理，第一阶段都是保护程序状态。这个操作由NEMU模拟的硬件实现，依次将EFLAGS, CS, EIP寄存器的值压栈。然后我们可以分开两种响应处理：

对中断的处理：

因为中断是属于一个外部信号，我们无法预测它会在啥时候到来，所以采用的方法就是让cpu执行指令的过程中保持对外部中断信号的检测。在nemu/src/cpu/cpu.c/exec()中有一个do_intr()函数，cpu每执行完一条指令，都会调用这个函数来检查是否有外部中断的到来。

#ifdef IA32_INTR
void do_intr()
{
	if (cpu.intr && cpu.eflags.IF)
	{
		// get interrupt number
		uint8_t intr_no = i8259_query_intr_no();
		assert(intr_no != I8259_NO_INTR);
		// tell the PIC interrupt info received
		i8259_ack_intr();
		// raise interrupt
		raise_intr(intr_no); 
	}
}
#endif

对异常的处理：

我们在这里主要处理的异常为trap（自陷）。自陷操作是可控的，是我们自己发出的一系列指令，在后面进行系统调用方面会大有用途。 我们先来看看trap的样例文件：

#include "trap.h"

const char str[] = "Hello, world!\n";

int main()
{
	asm volatile( "movl $4, %eax;" 
		    "movl $1, %ebx;" 
		    "movl $str, %ecx;"
		    "movl $14, %edx;" 
		    "int $0x80");
	HIT_GOOD_TRAP;
	return 0;
}

在这里面，int $0x80就是向CPU发出trap信号的指令。它在NEMU中会调用这个函数：

void raise_sw_intr(uint8_t intr_no) 
{
        // return address is the
        // next instruction
        cpu.eip += 2;
        raise_intr(intr_no);
}

可以看出，我们两种响应最后都是要调用raise_intr()函数。这个函数的实现也是我们PA4-1的关键，我们需要在这个函数里完成：

• 根据异常或中断号intr_no查询IDT，这个intr_no分别由用户和i8259中断控制器提供。

• 查询得到处理程序的入口地址。中断门和陷阱门的门描述符结构如下，不同之处在TYPE字段。

  

• 清除IF位如果当前信号位中断信号；

• 将EIP设置为查询得到的处理程序入口。

接下来就靠处理程序操作，然后通过iret指令返回程序断点处就可以了。

所以，我们在PA4-1做了：

• 在include/config.h定义宏 #define IA32_INTR并且make clean；
• 参照i386手册在nemu/include/cpu/reg.h中定义IDTR结构体，并在 CPU_STATE中添加idtr寄存器和中断引脚（框架代码已经提供）
• 实现了包括lidt、cli、sti、int、pusha、popa、iret等指令

PA4-2 外设与IO

在这一章，我们需要完成NEMU与外界的交互，让NEMU可以正常进行输入与输出。

我们先来看看NEMU中CPU完成与外设通信的几种方式：

• 方式1：端口映射I/O(port-mapped I/O)
  • 串口（Serial）、键盘（Keyboard）、硬盘（IDE）
• 方式2：内存映射I/O (Memory Mapped I/O, mmio)
  • 显卡（VGA）
• 其它只需要理解：
  • 声卡（Audio）实验性质
  • 时钟（Timer）只产生时钟中断

可以将CPU和外设的交互简要概括为：

将外设的数据、状态、控制寄存器称为I/O端口；对端口进行编号；CPU使用in与out指令同端口间通过按编号“打电话”的方式通信。

设备制造商和OS可以约定占用的端口数和端口参数的设置，并且为OS提供相应的驱动程序。OS安装了相应的驱动后，驱动程序熟知这些约定，便可通过in和out指令完成对设备的控制和数据读写（直接控制法）。

我们在PA4-2里完成了对串口、硬盘、键盘的端口映射模拟，完成了对显卡的内存映射模拟。

三、思考题

本章没有明确的思考题，有几个要点：

PA4-1.跳转前决定是否允许中断嵌套？

• 当处理外部中断时，清除EFLAGS寄存器中的IF位，实现关中断，不允许嵌套

• 当处理内部异常时，不清除EFLAGS寄存器中的IF位，不关闭中断，允许嵌套

PA4-1.在函数irq_handle中，结合kernel/src/irq/do_irq.S，理解tf怎么传进来的？tf里面有什么？

我们可以观察到，tf是TrapFrame结构的一个指针，我们在上面将程序状态压栈以及进行int $0x80前对寄存器压栈时就是按照这个结构的顺序来压栈的；而在call irq_handle前，我们有一个这样的操作：

而这个时候esp的值就是tf的首地址，我们结合TrapFrame的结构来看：

可以明显看出只要有了首地址，后面的元素就可以通过指针直接访问。