来自用户空间的陷阱

Xv6 根据陷阱是在内核中执行还是在用户代码中执行来区别处理。以下是来自用户代码的陷阱的故事；来自内核代码的陷阱在“来自内核空间的陷阱”一节中描述。

如果在用户空间执行时发生陷阱，可能是用户程序进行了系统调用（ecall 指令），或者执行了非法操作，或者设备中断。来自用户空间的陷阱的高级路径是 uservec，然后是 [usertrap]；返回时是 [usertrapret]，然后是 userret。

xv6 陷阱处理设计的一个主要限制是 RISC-V 硬件在强制陷阱时不切换页表。这意味着 stvec 中的陷阱处理程序地址必须在用户页表中具有有效映射，因为在陷阱处理代码开始执行时，该页表是有效的。此外，xv6 的陷阱处理代码需要切换到内核页表；为了能够在切换后继续执行，内核页表也必须具有对 stvec 指向的处理程序的映射。

Xv6 使用蹦床页来满足这些要求。蹦床页包含 uservec，即 stvec 指向的 xv6 陷阱处理代码。蹦床页在每个进程的页表中映射在地址 TRAMPOLINE，该地址位于虚拟地址空间的顶部，以便它位于程序自己使用的内存之上。蹦床页也映射在内核页表中的地址 TRAMPOLINE。参见图 2-3 和图 3-2。因为蹦床页映射在用户页表中，所以陷阱可以在监督者模式下在那里开始执行。因为蹦床页在内核地址空间中映射在相同的地址，所以陷阱处理程序可以在切换到内核页表后继续执行。

uservec 陷阱处理程序的代码在 trampoline.S 中。当 uservec 启动时，所有 32 个寄存器都包含被中断的用户代码所拥有的值。这 32 个值需要保存在内存中的某个地方，以便稍后内核可以在返回用户空间之前恢复它们。存储到内存需要使用一个寄存器来保存地址，但此时没有可用的通用寄存器！幸运的是，RISC-V 以 sscratch 寄存器的形式提供了帮助。uservec 开头的 csrw 指令将 a0 保存在 sscratch 中。现在 uservec 有一个寄存器（a0）可以使用。

uservec 的下一个任务是保存 32 个用户寄存器。内核为每个进程分配一页内存用于一个 trapframe 结构，该结构（除其他外）有空间保存 32 个用户寄存器 (proc.h)。因为 satp 仍然引用用户页表，所以 uservec 需要将陷阱帧映射在用户地址空间中。Xv6 将每个进程的陷阱帧映射在该进程的用户页表中的虚拟地址 TRAPFRAME；TRAPFRAME 就在 TRAMPOLINE 下面。进程的 p->trapframe 也指向陷阱帧，尽管是在其物理地址上，以便内核可以通过内核页表使用它。

因此，uservec 将地址 TRAPFRAME 加载到 a0 中，并在那里保存所有用户寄存器，包括从 sscratch 读回的用户 a0。

trapframe 包含当前进程的内核堆栈地址、当前 CPU 的 hartid、usertrap 函数的地址以及内核页表的地址。uservec 检索这些值，将 satp 切换到内核页表，然后跳转到 usertrap。

usertrap 的工作是确定陷阱的原因，处理它，然后返回 (trap.c)。它首先更改 stvec，以便在内核中的陷阱将由 kernelvec 而不是 uservec 处理。它保存 sepc 寄存器（保存的用户程序计数器），因为 usertrap 可能会调用 yield 切换到另一个进程的内核线程，并且该进程可能会返回到用户空间，在此过程中它将修改 sepc。如果陷阱是系统调用，usertrap 调用 syscall 来处理它；如果是设备中断，则调用 devintr；否则是异常，内核将终止出错的进程。系统调用路径将保存的用户程序计数器加四，因为 RISC-V 在系统调用的情况下，会将程序指针指向 ecall 指令，但用户代码需要在后续指令处恢复执行。在退出时，usertrap 检查进程是否已被终止或应该让出 CPU（如果此陷阱是定时器中断）。

返回用户空间的第一步是调用 [usertrapret]。此函数设置 RISC-V 控制寄存器，为将来来自用户空间的陷阱做准备：将 stvec 设置为 uservec 并准备 uservec 依赖的陷阱帧字段。usertrapret 将 sepc 设置为先前保存的用户程序计数器。最后，usertrapret 在映射在用户和内核页表中的蹦床页上调用 userret；原因是在 userret 中的汇编代码将切换页表。

usertrapret 对 userret 的调用在 a0 中传递一个指向进程用户页表的指针 (trampoline.S)。userret 将 satp 切换到进程的用户页表。回想一下，用户页表映射了蹦床页和 TRAPFRAME，但没有映射内核的其他任何内容。在用户和内核页表中以相同虚拟地址映射的蹦床页允许 userret 在更改 satp 后继续执行。从这一点开始，userret 唯一可以使用的数据是寄存器内容和陷阱帧的内容。userret 将 TRAPFRAME 地址加载到 a0 中，通过 a0 从陷阱帧中恢复保存的用户寄存器，恢复保存的用户 a0，并执行 sret 返回到用户空间。