[xv6] Trap 알아보기

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학교 운영체제 과목의 과제를 하기 위해 xv6: a simple, Unix-like teaching operating system의 Chapter 4 일부를 읽고 정리한 문서이다.

Chapter 4. Traps and system calls

CPU가 하던 일을 잠깐 멈추고 다른 일을 하도록 하는 방법에는 3가지가 있다.

  1. 시스템 콜을 부를 때 (ecall instruction을 실행할 때)
  2. Exception (divide by zero, invalid virtual address와 같은 illegal instruction)
  3. Interrupt (I/O가 끝나서 디바이스가 처리를 부탁할 때)

이 책에서는 위 세가지 경우를 모두 통틀어 trap이라고 한다. 이 트랩이 실행될 때 실행되고 있던 코드는 trap에서 다시 돌아왔을 때 아무 일도 없었던 것처럼 실행되어야 한다. 따라서 커널은 실행되고 있던 코드의 상태와 레지스터들을 어딘가에 백업해두고 trap에서부터 돌아올 때 이것들을 다시 복원한다.

책에서는 trap을 이 세 가지로 분류하고 있지만, 사실 ecall은 Exception의 한 종류이다. 따라서 ecall을 supervisor mode로 delegate하는 것을 막고 싶다면, medeleg 레지스터를 수정하면 된다. 어떤 bit를 수정해야 할 지는 mcause를 참고하면 된다. (i.e. 비트 8을 1로 set하면 u-mode에서의 ecall이 supervisor mode로 delegate된다.)

Xv6는 모든 trap을 커널에서 처리한다. System call을 커널에서 처리하는 것은 자연스러운 일이고, interrupt를 커널에서 실행하는 것은 커널이 유일하게 장치를 동작시킬 수 있고, 많은 프로세스들 사이에서 장치를 공유할 수 있는 간편한 메커니즘이 있기 때문이다. exception을 커널에서 실행하는 이유는 xv6가 exception을 일으킨 유저 프로그램을 kill하는 방식으로 처리하기 때문이다.

Xv6 trap 핸들링 프로세스는 4가지 스테이지를 거친다.

  1. RISC-V CPU에서의 하드웨어 동작
  2. 커널의 C 코드를 준비하기 위한 어셈블리 instruction
  3. trap을 어떻게 처리할 것인지 결정할 C 함수
  4. 시스템콜 또는 장치 드라이버 서비스 루틴

이 모든 trap을 하나의 code path로 처리하는 것이 가능하지만, 세 가지로 나누어 처리해야 편리하다: user space에서 발생한 trap, kernel space에서 발생한 trap, 그리고 timer interrupt이다. trap을 처리하는 커널 코드는 handler라고 불리고, 첫 handler instruction은 주로 C보다는 어셈블리어로 구현되어 있으며 vector라고 불리기도 한다.

4.1 RISC-V trap machinery

각각의 RISC-V CPU는 커널이 CPU에게 어떻게 trap을 처리해야 하는지 알려주는 레지스터가 있다. 다음은 이 상황에서 xv6에서 사용하는 가장 중요한 레지스터들이다:

  • stvec: 커널은 여기에 trap handler의 주소를 적는다. RISC-V는 trap을 처리하기 위해 여기로 점프한다.
  • sepc: trap이 발생했을 때의 pc(Program Counter)를 여기에 저장한다. (pc에 stvec를 적어야 하기 때문이다.) trap에서 빠져나오는 sret instruction은 이 sepc를 다시 pc에 쓴다.
  • scause: trap이 어떤 이유로 일어났는지에 대한 정보가 적힌다.
  • sscratch: trap handler가 시작할 때 유용한 값을 적는다.
  • sstatus: sstatus의 SIE 비트는 디바이스 interrupt가 활성화 되었는지를 나타낸다. 이 비트가 꺼져있으면 RISC-V는 커널이 다시 이 비트를 켤 때 까지 interrupt를 받지 않는다. SPP 비트는 trap이 supervisor mode 또는 user mode 중 어디에서 왔는지 나타낸다. 따라서 sret할 곳을 제어한다.

위의 레지스터들은 trap이 supervisor mode에서 처리될 때 사용된다. user mode에서는 접근할 수 없다. machine mode일 때 접근할 수 있는 레지스터가 또 따로있는데, xv6는 timer interrupt의 특별한 경우에만 이를 사용한다.

timer interrupt가 아닌 모든 trap에 대해서 RISC-V는 다음과 같이 처리한다.

  1. 만약 trap이 device interrupt이고, sstatus의 SIE 비트가 꺼져있다면, 아무 것도 하지 않는다.
  2. SIE를 꺼서 interrupt를 끈다.
  3. pc를 sepc에 복사한다.
  4. 현재의 모드(user 또는 supervisor)를 sstatus의 SPP 비트에 저장한다.
  5. scause에 무슨 trap인지 저장한다.
  6. 모드를 supervisor mode로 변경한다.
  7. stvec를 pc에 복사한다.
  8. 새로운 pc를 실행한다.

CPU가 커널 페이지 테이블을 커널에 있는 스택으로 바꾸지 않았다. 또한 pc이외의 모든 레지스터들도 저장하지 않았다. 이는 커널 소포트웨어가 모두 수행해야 한다. 이는 소프트웨어의 유연성을 위해서 CPU가 최소한의 작업만 하기 때문이다.

CPU가 더 최소한의 작업만 하지 않고 이 작업은 꼭 해야 하는 이유는 user/kernel isolation 때문이다.

4.2 Trap from user space

user space에서의 trap은 실행하는 user program에서 시스템 콜을 하거나(ecall instruction), 잘못된 것을 하거나(illegal instruction), device interrupt가 발생한 경우에 발생한다. 이 트랩은 uservec -> usertrap -> usertrapret -> userret의 순서대로 진행된다.

RISC-V 하드웨어는 trap이 발생되었을 때 page table을 바꾸지 않으므로, user page table의 stvec 레지스터는 uservec함수를 제대로 가리키고 있어야 한다. 그리고 uservec에서는 page table을 user page table에서 kernel page table로 바꾸어주어야 한다. 그리고 이 바꾸는 과정을 제대로 하기 위해서는, uservec함수가 kernel page table과 user page table에서 각각 같은 위치에 매핑되어 있어야 한다.

이를 위해서 xv6에서는 trampoline 페이지가 uservec을 가지고 있게 한다. 그리고 이 trampoline 페이지가 kernel과 user page table 모두에서 같은 위치에 있도록 한다.

uservec이 실행되면, 모든 레지스터는 trap이 소유하게 되므로 프로세스의 trapframe에 레지스터를 모두 백업해둔다. 그리고 usertrap함수를 실행시킨다. usertrap에서는 trap이 왜 일어났는지 알아내서, 처리하고, 돌려준다. usertrap에서 가장 먼저 하는 일은, 커널에서 받는 trap을 uservec이 아닌 kernelvec으로 보내야 하기 떄문에 stvec를 kernelvec으로 바꿔준다. 그리고 sepc 레지스터를 저장한다. trap이 system call일 경우에는 syscall()이 처리하도록 하고, device interrupt인 경우에는 devintr()이 처리하도록 한다. exception이라면 프로세스를 kill한다. system call의 경우에는 user program counter에 4를 더하는데, 이는 system call이 끝난 후에 ecall instruction의 다음 instruction을 실행해야 하기 때문이다. usertrap 함수 마지막에서는 프로세스가 kill되었는지, CPU를 yield해야 하는지 확인한다.

여기서 system call의 경우 pc에 4를 더해주는 연산이 있는데, 과제에서 machine mode trap handler를 수정할 때 고려해야 하는 부분 중 하나였다.

trap에서 user space로 돌아오는 첫 과정은 usertrapret이다. 이 함수는 stvec를 다시 uservec으로 바꿔주고, 저장해둔 sepc 값을 읽어와서 다시 바꿔준다. 마지막에는 trampoline page에 있는 userret을 불러준다.

userret을 부를 때 a0 레지스터에 프로세스의 user page table을 넘겨준다. userret이 이를 받아서 kernel page table을 가리키고 있던 satp를 user page table을 다시 가리킬 수 있도록 한다. 이후 trapframe에서 모든 레지스터 값을 복구해주고 sret을 실행해 user space로 돌아온다.

#OS #xv6 #System call