news 2026/4/3 4:54:15

一生一芯学习:多道程序 yield-os.c

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张小明

前端开发工程师

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文章封面图
一生一芯学习:多道程序 yield-os.c

随着处理器主频的越来越高,每次读写一次磁盘要耗费很多个时钟周期来等待磁盘操作的完成,与其傻傻等待,在这等待的过程中我们可以做更多有意义的事情,如当第一个程序需要等待输入输出的时候,切换到第二个程序来运行,第二个程序也等待输入输出的时候就可以切换到第三个程序,以此类推。

这就是多道程序的思想,要实现一个多道程序操作系统, 我们只需要实现以下两点就可以了:

在内存中可以同时存在多个进程

在满足某些条件的情况下, 可以让执行流在这些进程之间切换

什么是进程? 进程 = 程序 + 执行

进程是执行中的程序,除了可执行代码外还包含进程的活动信息和数据,比如用来存放函数变量、局部变量、返回值的用户栈,存放进程相关数据的数据段,内核中进程间切换的内核栈,动态分配的堆。

上下文切换

在yield-os.c中构建了两个执行流,不断交替输出A和B,基本原理就是进程A运行的时候触发了系统调用,通过自陷指令陷入到内核中,根据__am_asm_trap(),A的上下文结构(Context)将会被保存在A的栈上。系统调用完后通过__am_asm_trap()恢复A的上下文,如果此时不恢复A的上下文,而是恢复B的上下文,那么执行完__am_asm_trap()

来看下yield-os.c执行流是如何进行进程切换的。首先贴出它的代码。

这个PCB是union类型的,而不是struct类型的,原因如下:定义数据的时候把PCB的stack栈空间和cp 记录上下文指针的元数据存放在同一块内存上。即pcb.stack占满整个PCB内存,然后PCB.CP放在内存的栈底。这样在上下文恢复时用 cp 指向的地址就能直接恢复栈上保存的 Context。

#define STACK_SIZE (4096 * 8)

typedef union {

uint8_t stack[STACK_SIZE];

struct { Context *cp; }; //(context pointer)来记录上下文结构的位置

} PCB;

int main() {

cte_init(schedule);

pcb[0].cp = kcontext((Area) { pcb[0].stack, &pcb[0] + 1 }, f, (void *)1L);

pcb[1].cp = kcontext((Area) { pcb[1].stack, &pcb[1] + 1 }, f, (void *)2L);

yield();

panic("Should not reach here!");

}

第一件事先初始化一下CTE

cte_init的作用是定义了待会跳转去异常处理的地址传给mtvec,然后注册回调函数shedule`

bool cte_init(Context*(*handler)(Event, Context*)) {

// initialize exception entry

asm volatile("csrw mtvec, %0" : : "r"(__am_asm_trap)); //把amasmtrap的地址传给mtvec

user_handler = handler;

return true;

}

这个

static Context *schedule(Event ev, Context *prev) {

current->cp = prev;

current = (current == &pcb[0] ? &pcb[1] : &pcb[0]);

return current->cp;

}

然后把执行完cte_init(schedule)之后到了

pcb[0].cp = kcontext((Area) { pcb[0].stack, &pcb[0] + 1 }, f, (void *)1L);

pcb[1].cp = kcontext((Area) { pcb[1].stack, &pcb[1] + 1 }, f, (void *)2L);

先来看下kcontext()的代码。第一个参数{ pcb[0].stack, &pcb[0] + 1 }就是栈空间,随后将函数名当成指针,函数f 会自动“退化”为指向该函数的指针。于是此时entry就是f了。如果指针后面赋值为mepc=(uintptr_t)entry,那么就会自动执行函数f,带上参数1。

下一行同理

Context *kcontext(Area kstack, void (*entry)(void *), void *arg) {

Context *cp = (Context *)(kstack.end - sizeof(Context));

cp->mepc = (uintptr_t)entry;

cp->mstatus = 0x1800;

cp->gpr[10] = (uintptr_t)arg; //a0传参

return cp;

}

随后陷入yield()

void yield() {

#ifdef __riscv_e

asm volatile("li a5, -1; ecall");

#else

asm volatile("li a7, -1; ecall");

#endif

}

于是进行ecall指令

INSTPAT("0000000 00000 00000 000 00000 11100 11", ecall , I, s->dnpc = isa_raise_intr(11,s->pc);etrace());

然后调用isa_raise_intr(11,s->pc)函数。

word_t isa_raise_intr(word_t NO, vaddr_t epc) {

/* TODO: Trigger an interrupt/exception with ``NO''. 待办事项:使用“NO”触发中断/异常。

* Then return the address of the interrupt/exception vector. 然后返回中断/异常向量的地址

*/

cpu.mstatus = 0x00001800;

cpu.mepc = epc;

cpu.mcause = NO;

return cpu.mtvec;

}

此时PC会跳转到之前定义的mtvec中,也就是cte_init中的__am_asm_trap函数。

__am_asm_trap:

addi sp, sp, -CONTEXT_SIZE

MAP(REGS, PUSH)

csrr t0, mcause

csrr t1, mstatus

csrr t2, mepc

STORE t0, OFFSET_CAUSE(sp)

STORE t1, OFFSET_STATUS(sp)

STORE t2, OFFSET_EPC(sp)

# set mstatus.MPRV to pass difftest

li a0, (1 << 17)

or t1, t1, a0

csrw mstatus, t1

mv a0, sp

call __am_irq_handle

mv sp, a0

LOAD t1, OFFSET_STATUS(sp)

LOAD t2, OFFSET_EPC(sp)

csrw mstatus, t1

csrw mepc, t2

MAP(REGS, POP)

addi sp, sp, CONTEXT_SIZE

mret

这个函数作用之前讲过了,将上下文保存在栈上,然后调用handler之后还原现场,但此时我们把a0作为参数给sp,那就能做到线程切换,具体来看代码。会跳转到__am_irq_handle这个函数,看看他的源码。

Context* __am_irq_handle(Context *c) {

if (user_handler) {

Event ev = {0};

switch (c->mcause) {

case 11:

ev.event=EVENT_YIELD;

if(c->GPR1!=-1)

ev.event = EVENT_SYSCALL;

c->mepc += 4;

break;

default: ev.event = EVENT_ERROR; break;

}

//printf("mcause = %s\n",c->mcause);

c = user_handler(ev, c); //调用之前注册的handler

assert(c != NULL);

}

return c;

}

目前识别出是yield之后然后调用之前注册的回调函数。也就是shedule

static Context *schedule(Event ev, Context *prev) {

current->cp = prev;

current = (current == &pcb[0] ? &pcb[1] : &pcb[0]);

return current->cp;

}

可以看到cte_init()在trace中是这么传递参数的。

image

意思就是根据riscv地abi切换a0的值,也就是切换线程,随后

mv sp, a0

LOAD t1, OFFSET_STATUS(sp)

LOAD t2, OFFSET_EPC(sp)

csrw mstatus, t1

csrw mepc, t2

MAP(REGS, POP)

addi sp, sp, CONTEXT_SIZE

mret

恢复现场,切换为B线程,也就是所有寄存器,什么通用寄存器堆,mepc,mcause, mstatus, mepc都一模一样。

然后调用mret,pc变成cpu.mepc,于是跳到刚刚kcontext定义的entry中,也就是f函数里面,然后判断参数是多少进行对应的输出之后又陷入到yield,一直循环。

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