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RTOS 系统知识库

Lab 01 启动、Trap 与 Sv32 页表

Lab 01: 启动、Trap 现场保护与 Sv32 虚拟内存页表¶

1. 实验目标¶

理解 RISC-V 架构下 OpenSBI 引导固件与操作系统内核的交接协议。
掌握 RISC-V 独有的 sscratch 控制状态寄存器（CSR）在 Trap 发生时的原子换栈机制。
剖析 Sv32 二级页表（Two-Level Paging）的硬件地址翻译流程与用户态特权隔离。

2. 引导启动流程与内存布局¶

flowchart TD
    QEMU["QEMU virt 启动 (0x1000)"] --> OpenSBI["OpenSBI 固件运行 (M-Mode)"]
    OpenSBI --> KernelEntry["跳转至内核入口 boot (0x80200000, S-Mode)"]

    subgraph KernelInit["内核初始化序列"]
        BSS["1. 清零 .bss 段"]
        Paging["2. 初始化空闲内存页分配器 (alloc_pages)"]
        TrapInit["3. 设置 stvec 寄存器指向 kernel_entry 异常入口"]
        DevInit["4. 初始化 PLIC 外部中断与 VirtIO 块设备驱动"]
        UserProc["5. 创建用户态 Shell 进程 (create_process)"]
    end

    KernelEntry --> BSS --> Paging --> TrapInit --> DevInit --> UserProc

物理内存映射表¶

起始地址	长度 / 结束	属性 / 用途
`0x10000000`	4KB	UART0 串口 MMIO 寄存器
`0x10001000`	4KB	VirtIO-Block 磁盘控制器 MMIO
`0x0C000000`	64MB	PLIC 平台级中断控制器 MMIO
`0x80000000`	2MB	OpenSBI 固件常驻内存
`0x80200000`	—	内核代码与静态数据段 (`__kernel_base`)
`__free_ram`	64MB+	动态物理页分配池（按 4KB 页面切分）

3. Trap 现场保护与 `sscratch` 换栈黑魔法¶

当 CPU 运行在非特权用户态（U-Mode）时，其栈指针 sp 指向不可信的用户栈。如果此时发生硬件中断或 ecall 系统调用，处理器必须在执行第一条 C 语言指令之前，安全切换到可信的内核栈。

RISC-V 通过 sscratch 控制状态寄存器提供了一个原子交换指令：

sequenceDiagram
    autonumber
    participant U as 用户态程序 (U-Mode, SP = UserStack)
    participant HW as CPU 硬件 (Trap 触发)
    participant S as S-Mode 汇编入口 (kernel_entry)
    participant K as 内核可信栈 (KernelStack)

    U->>HW: 执行 ecall 或外部中断到达
    Note over HW: 硬件行为: 提升至 S-Mode, 将 PC 写入 sepc, 自动跳转到 stvec
    HW->>S: 进入 kernel_entry 汇编第一行
    Note over S: csrrw sp, sscratch, sp (原子交换!)<br/>此时 SP = KernelStack, sscratch = UserStack!
    S->>K: 以内核 SP 为基准，向栈上申请 144 字节空间
    S->>K: 压入所有通用寄存器 (ra, gp, tp, t0-t6, a0-a7, s0-s11)
    Note over S: csrr r, sscratch (读出原始 UserStack 并压入 trap_frame->sp)
    S->>K: 压入 sepc, sstatus, scause, stval
    S->>S: call handle_trap (进入 C 语言分发函数)

144 字节 `struct trap_frame` 拓扑¶

struct trap_frame {
    uint32_t ra, gp, tp, t0, t1, t2, t3, t4, t5, t6;
    uint32_t a0, a1, a2, a3, a4, a5, a6, a7;
    uint32_t s0, s1, s2, s3, s4, s5, s6, s7, s8, s9, s10, s11;
    uint32_t sp;      /* 发生 Trap 前原始的不可信栈指针 */
    uint32_t sepc;    /* 发生异常时的 PC 备份 */
    uint32_t sstatus; /* 异常发生前的特权与中断状态 */
    uint32_t scause;  /* 异常 / 中断原因编号 */
    uint32_t stval;   /* 故障虚拟地址 (如 PageFault 时) */
    uint32_t reserved;/* 满足 16 字节栈对齐要求 */
} __attribute__((packed));

_Static_assert(sizeof(struct trap_frame) == 144, "trap frame must be 144 bytes");

4. Sv32 二级分页与特权隔离¶

RVKernel 采用 32 位 RISC-V 标准的 Sv32 虚拟内存管理机制：

flowchart LR
    VA["32位虚拟地址 (VA)"] --> VPN1["VPN[1] (10位)"]
    VA --> VPN0["VPN[0] (10位)"]
    VA --> Offset["Offset (12位, 4KB对齐)"]

    VPN1 -->|"索引一级根页表"| P1["一级页目录项 (PDE)"]
    P1 -->|"指向二级页表基址"| P2_Table["二级页表"]
    VPN0 -->|"索引二级页表"| P2["二级页表项 (PTE)"]
    P2 -->|"物理基址 (PPN)"| PA["最终 32 位物理地址 (PA)"]
    Offset --> PA

关键权限标志位（PTE Flags）¶

PAGE_V (1 << 0)：页面有效标志位。
PAGE_R / PAGE_W / PAGE_X：可读、可写、可执行保护属性。
PAGE_U (1 << 4)：用户权限位。若未置位，则处于 U-Mode 的用户态进程触碰该页面时，硬件 MMU 会立刻抛出 Load/Store Page Fault，从硅片底层坚决阻断用户程序篡改内核数据。

5. 动手实操与实验验收¶

启动内核进入 QEMU：
```
bash run.sh
```
在 Shell 命令行中测试特权隔离：输入 hello，观察用户态应用程序通过 ecall 软中断正确调用内核 sys_putchar 在终端完成打印。
退出 QEMU 请按：Ctrl-A，再按 X。