Lab 1：内核启动与时钟中断¶

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实验简介¶

在 Lab 1 中我们将开始构建自己的内核。梳理一下目前的思路：

在实验导读和 Lab0 中，我们已经了解了启动过程：
- OpenSBI 跳转到内核第一条指令处。
- arch/riscv/boot.S 是内核最开始执行的代码。查看它，你会发现它最终执行了 call start_kernel。这个函数位于 arch/riscv/init/main.c，是一个 C 语言写的函数。
那么有如下问题：
- 从 OpenSBI 跳到内核时，系统的状态（寄存器、内存等）是什么样的？这需要你动手调试，用 Lab0 学习的 QEMU Monitor 和 GDB 自行查看。
- 从汇编代码跳到 C 函数，调用者、被调用者各需要做什么工作？回忆《计算机组成》课程，我们学习过汇编与 C 语言的关系。这需要你学习RISC-V 调用约定，然后补全 arch/riscv/boot.S。
- 如何控制内核最开始执行的代码放置的位置？这需要你学习链接器脚本，然后理解 arch/riscv/kernel/vmlinux.lds。
- 没有了标准库，打印字符等基本功能如何实现？这需要你学习SBI 规范，然后补全 arch/riscv/kernel/sbi.c。

完成这些，你就能够启动自己的内核，并打印 Hello, kernel! 了。

我们的下一个目标是为 Lab2 线程调度做准备：

操作系统是事件驱动的，意味着系统的执行流是由各种事件触发的，例如 I/O 完成、进程创建、用户输入等。时钟中断是其中最基础、最重要的事件源之一。如果没有时钟中断，操作系统将无法感知时间的流逝，无法在合适的时机进行进程切换、调度、超时处理或实现延时等待。通过周期性触发的时钟中断，内核可以被动地转变为主动：不再依赖进程自愿交出 CPU，而是能在中断到来时打断当前执行流，检查是否有更高优先级的任务或等待超时的事件需要处理，从而保证多任务系统的公平性和响应性。

那么有如下问题：
- RISC-V 是如何设计中断与异常的？怎么开启时钟中断？这需要你学习RISC-V 特权级、中断与异常、CSR 寄存器。
- 时钟中断可能在任何时候发生。应该如何实现中断处理程序，保存和恢复现场，从而保证内核和用户程序的正确执行？这需要你学习RISC-V 中断异常委派、中断处理，然后补全 arch/riscv/kernel/entry.S。

完成这些，你就能做 Lab2 了。

Part 1：启动工作¶

OpenSBI 调试¶

<在内核第一条指令处设置断点，查看当前环境状态>

RISC-V 调用约定¶

同学们上次熟悉 RISC-V 汇编与 C 语言的关系，应该是在《计算机组成》课程中。上《计算机体系结构》的时候，同学们只烧二进制 Bit 文件，应该已经把相关内容忘得差不多了。

使用 GCC 编译器编译一个简单的程序，得到的汇编如下（请点击 Edit on Compiler Explorer 放大查看）：

请回忆你在《计算机组成》课程中学习的相关内容，回答下面的问题。如果有想不来的地方，请阅读 RISC-V ELF psABI Document 的以下章节：

1.1. Integer Register Convention
2.1. Integer Calling Convention

考点

每个函数的开头都操作了 sp，这是在干什么？
尝试修改 C 语言代码，你会发现 sp 的差值总是 16 的倍数，这是为什么？
调用函数前后做了什么？

要点

参数寄存器与返回值

RISC-V 提供 8 个参数寄存器 a0–a7：
- a0、a1：用于返回值
- a2–a7：用于传递参数，超出部分放在栈上
超过寄存器数量的参数会通过栈传递

参数传递规则

标量（Scalars）

≤ XLEN 位：放在一个寄存器或栈上传递
- 小于 XLEN 的整数会符号扩展（sign-extend）到 XLEN 位
- 小于 XLEN 的浮点数会零扩展到 XLEN 位，高位不定义
2 × XLEN 位：用连续两个寄存器传递，高位在编号大的寄存器中
> 2 × XLEN 位：通过引用（地址）传递

结构体和联合体（Aggregates）

≤ XLEN 位：单寄存器传递
≤ 2 × XLEN 位：双寄存器传递，若寄存器不足，剩余部分放栈上
> 2 × XLEN 位：按引用传递（传地址）

栈对齐和栈传参

栈指针（SP）必须在函数入口时 128-bit 对齐
参数在栈上的布局按 ≥ type alignment 和 XLEN 对齐，但不会超过栈本身的对齐要求
传栈的第一个参数在 SP + 0 位置，之后依次递增

变参函数（Variadic Functions）

变参与命名参数传递方式相同
特殊规则：
- 2 × XLEN 位对齐的参数必须使用偶数号寄存器对
- 一旦有参数被传到栈上，之后的参数都必须放栈上

返回值

返回值的传递方式 = 该类型第一个命名参数的传递方式
如果是按引用传递的，调用者分配空间，传地址，callee 写结果

结构体对齐与位域规则

小于一个 XLEN 的结构体直接放在寄存器里，按内存布局排列字段
位域按小端序（little-endian）打包：
- 如果跨越对齐边界，跳到下一个对齐边界
- 多余位按 padding 处理

寄存器保存规则

s0–s11 必须在函数调用间保持（callee-save）
临时寄存器 t0–t6、a0–a7 调用不保证保存（caller-save）

链接器脚本与内核内存布局¶

在 C 语言编程课上，我们了解过编译器的基本流程：预处理、编译、汇编、链接。具体命令例：

riscv64-linux-gnu-gcc -S main.c -o main.S
riscv64-linux-gnu-as main.S -o main.o
riscv64-linux-gnu-gcc -S func.c -o func.S
riscv64-linux-gnu-as func.S -o func.o
riscv64-linux-gnu-ld main.o func.o -o main

链接过程合并多个目标文件，并重定位它们的数据，链接各类符号（函数名、变量名等）。链接器 ld 通过链接脚本来控制最终的生成的文件，默认使用内置的脚本生成 ELF 格式的可执行文件，你可以使用下面的命令查看这个脚本：

riscv64-linux-gnu-ld --verbose

请阅读 3 Linker Scripts - LD 的以下章节，学习基本的链接器脚本语法：

3.1 Basic Linker Script Concepts
3.3 Simple Linker Script Example

要点

Linker Script 基础概念

目标文件（Object File）
- GCC 或其他编译器生成的 .o 文件。
- 每个目标文件包含若干 输入节（Input Section），例如 .text, .data, .bss。
- 每节有名字、大小和数据内容。
输出文件（Output File）
- 链接器将多个输入文件合并生成单一输出文件。
- 输出文件也有若干 输出节（Output Section）。
- 输出节是由输入节组成的，它们可以被加载到内存中或只分配空间。
节的属性
- Loadable（可加载）：节内容需要加载到内存，例如代码和初始化数据。
- Allocatable（可分配）：节不包含数据，但需要在内存中保留空间，例如 .bss。
- 非加载非分配：节通常用于调试信息，例如 .debug_*。
符号（Symbol）
- 每个目标文件中定义或引用的函数、全局变量都是符号。
- 链接器会解析符号的地址，未定义符号需要在链接时找到定义。
VMA 和 LMA
- VMA（Virtual Memory Address）：程序运行时的虚拟地址。
- LMA（Load Memory Address）：程序加载到内存时的地址。
- 例如，ROM 加载到 RAM 时 LMA ≠ VMA。
位置计数器 .
- 链接器使用 . 来表示当前内存位置。
- 每定义一个输出节，. 会自动增加节大小。

Linker Script 文件格式

LD Script 是文本文件。
支持注释：
```
/* 这是注释 */
```
语法结构：
- 关键字 + 参数，例如 OUTPUT_ARCH("riscv")
- 符号赋值，例如 BASE_ADDR = 0x80000000
- 使用 SECTIONS 定义输出节布局。

SECTIONS 指令

SECTIONS 是最核心的命令，用于描述输出文件的内存布局。示例：

SECTIONS
{
    . = 0x10000;        /* 设置位置计数器 */
    .text : { *(.text) } /* 将所有输入文件的 .text 节放入输出节 .text */
    . = 0x8000000;
    .data : { *(.data) }
    .bss : { *(.bss) }
}

解释：

. = 0x10000：将位置计数器设置为 0x10000。
.text : { *(.text) }：输出节 .text 包含所有输入节 .text。
.data 和 .bss 同理。
链接器会保证输出节按需对齐，如果地址不符合要求，会在节之间插入间隙。

现在，我们来简单对比一下 Linux 内核链接脚本和 ld 内置链接脚本的区别：

linux/arch/riscv/kernel/vmlinux.lds

ENTRY(_start)
SECTIONS
{
 . = ((((-1))) - 0x80000000 + 1);
 _start = .;
 . = ALIGN((1 << 12));
 . = ALIGN((1 << 21));
 . = ALIGN(4);

riscv64-linux-gnu-ld --verbose

ENTRY(_start)
SECTIONS
{
  . = SEGMENT_START("text-segment", 0x10000) + SIZEOF_HEADERS;
  .dynsym         : { *(.dynsym) }
  .rela.dyn       :
    {
      *(.rela.init)
      *(.rela.text .rela.text.* .rela.gnu.linkonce.t.*)

关键要点：

起始位置：ELF 程序的在 0x10000 + SIZEOF_HEADERS，而内核是 0xffffffff80000000。学习虚拟内存后你会理解这些地址受操作系统内存布局影响。
对齐：内核对齐要求十分严格，通常使用页面对齐（4KB 或 2MB 等）、缓存行对齐（64B）等，需要考虑内存分页、NUMA 架构 Cache 一致性等问题。
节的选择：内核不使用动态链接、重定位，这些技术是为了应用程序设计的。因此没有 .dynsym、.rela.dyn 等节。
_start 符号：两者都定义了 _start 作为程序入口，但内核的 _start 定义在脚本中，而应用程序的 _start 由标准库定义（标准库需要做一些初始化工作），并不在应用程序代码中。

你可以尝试编译一个简单的程序而不带上标准库，ld 就会找不到 _start 符号：
```
$ riscv64-linux-gnu-gcc -nostdlib test.c
/usr/lib/gcc-cross/riscv64-linux-gnu/15/../../../../riscv64-linux-gnu/bin/ld: warning: cannot find entry symbol _start; defaulting to 000000000000030a
```

Take Home Message

总而言之，与普通的应用程序相比，操作系统的链接需要精细控制内存布局、初始化代码段、只读/可写数据段、调试信息和特定硬件相关表格的放置。

至于具体怎么做并不重要，感兴趣的同学可以自行结合 ld 文档，阅读实验代码和内核中的 arch/riscv/kernel/vmlinux.lds。

Task 1：为 `start_kernel()` 准备运行环境¶

SBI 与 ECALL¶

请阅读 Volume I: Unprivileged ISA Specification 的以下章节：

2.8. Environment Call and Breakpoints
考点
- ECALL 指令的作用是什么？
- 对于我们实现的操作系统来说，服务请求的参数传递由谁定义？

请阅读 RISC-V Supervisor Binary Interface Specification 的以下章节：

Chapter 1. Introduction
考点
- 什么是 SBI？它为谁提供服务？
Chapter 3. Binary Encoding 的章节导言
考点
- 在本课程中，谁是 Supervisor？谁是 SEE？
- 如何标识一个特定的 SBI 调用？
- SBI 调用的参数和返回值是如何传递的？
- SBI 调用时，哪些寄存器的值不会被保存？
- 如何判断 SBI 调用是否成功？

C 内联汇编¶

Task 2：使用 SBI 实现 `printk()`¶

请阅读 RISC-V Supervisor Binary Interface Specification 的以下章节：

Chapter 12. Debug Console Extension (EID #0x4442434E "DBCN")

在 arch/riscv/sbi.c 中使用内联汇编实现 sbi_debug_console_write。

Part 2：时钟中断及其处理¶

RISC-V 特权级¶

请阅读 Volume I: Unprivileged ISA Specification 的以下章节：

1.6. Exceptions, Traps, and Interrupts 的第一段（直接贴在下面了）：

We use the term exception to refer to an unusual condition occurring at run time associated with an instruction in the current RISC-V hart. We use the term interrupt to refer to an external asynchronous event that may cause a RISC-V hart to experience an unexpected transfer of control. We use the term trap to refer to the transfer of control to a trap handler caused by either an exception or an interrupt.
考点
- RISC-V 中 exception、interrupt 和 trap 有何区别？
- 举两个 Trap 的例子

请阅读 Volume II: Privileged Architecture Specification 的以下章节：

1.2. Privilege Levels
考点
- 特权级是用来干什么的？
- 执行当前特权级不允许的操作会发生什么？
- M、U、S 模式分别是为了什么设计的？

RISC-V 中断、异常与 CSR 寄存器¶

请阅读 Volume II: Privileged Architecture Specification 的以下章节：

Chapter 2. Control and Status Registers (CSRs) 的章节导言
考点
- 读取、修改、写入 CSR 的指令定义在哪个扩展？
- S 模式的 CSR 能被 M 模式访问吗？反之呢？
Chapter 3. Machine-Level ISA
- 3.1.6.1. Privilege and Global Interrupt-Enable Stack in mstatus register
  考点
  - mstatus 寄存器的作用是什么？
  - xIE bit 的作用是什么？
  - 运行在 S 模式且 mstatus.SIE=0，mstatus.MIE=0 时，发生中断会进入哪个模式？当从特权级 y 陷入到更高的特权级 x 时，xPIE、xIE 和 xPP 会如何变化？
  - xRET 指令返回时，特权级和中断使能位会如何恢复？xPP 会设置为什么？
- 3.1.9. Machine Interrupt (mip and mie) Registers
  考点
  - mip 和 mie 寄存器的作用分别是什么？
  - 在什么条件下，中断会陷入 M 模式？
  - 列举一些中断源
  - 如果中断委派到 S 模式，它在 mip 和 mie 中的行为是什么？
  - 为什么软件中断的优先级高于定时器中断？

Task3：开启时钟中断¶

RISC-V 中断异常委派¶

请阅读 Volume II: Privileged Architecture Specification 的以下章节：

Chapter 3. Machine-Level ISA
- 3.1.7. Machine Trap-Vector Base-Address (mtvec) Register
  考点
  - mtvec 寄存器的作用是什么？
  - 为什么这个寄存器的低两位可以分配给 MODE 字段？
  - 向量中断模式下，发生中断后 PC 会被设置成多少？
- 3.1.8. Machine Trap Delegation (medeleg and mideleg) Registers
  考点
  - 为什么需要委派机制？
  - medeleg 和 mideleg 寄存器的作用分别是什么？
  - 当一个 trap 被委派到 S 模式后，下面这些地方的值会如何变化？
    - scause
    - stval
    - sepc
    - mstatus.SPP
    - mstatus.SPIE
    - mstatus.SIE
  - 如果一个 trap 是在 M 模式下发生的，但它在 medeleg 中已被设置委派给 S 模式，会在哪里处理？
  - mideleg 中的某一位被设置后，这个中断在 M 模式下会被触发吗？

Lab 1：内核启动与时钟中断¶

实验简介¶

Part 1：启动工作¶

OpenSBI 调试¶

RISC-V 调用约定¶

链接器脚本与内核内存布局¶

Task 1：为 start_kernel() 准备运行环境¶

SBI 与 ECALL¶

C 内联汇编¶

Task 2：使用 SBI 实现 printk()¶

Part 2：时钟中断及其处理¶

RISC-V 特权级¶

RISC-V 中断、异常与 CSR 寄存器¶

Task3：开启时钟中断¶

RISC-V 中断异常委派¶

Task4：实现中断处理程序¶

Task 1：为 `start_kernel()` 准备运行环境¶

Task 2：使用 SBI 实现 `printk()`¶