HUST系统能力培养之虚拟机

华科课程

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 2023/12/17  675

系统能力培养虚拟机实验教程

写在前面

这是一个速通教程，高尚的人请你立刻叉出去。

抄也要花一些时间，建议抄的同时弄懂，所以尽早开始。

pa0

VirtualBox安装包和老师给的前置打包环境root.vdi文件请自行在课程官网获取，创建并导入后无需安装任务书中所写的pa0环境依赖。

本章内容：在你的电脑本机使用ssh免密丝滑连接你的虚拟机，此方法可推广至服务器连接。如果你想直接在虚拟机里下载Vscode写代码可以跳过此章。

虚拟机网络配置

给你的虚拟机新增一块网卡，启用网络连接、连接方式选择仅主机。

添加后重新启动虚拟机并打开终端，依赖安装：

1 2	sudo apt-get install net-tools ifconfig

获取信息如下：enp0s8后第二行的inet 192.168.56.101，记住它尤其是前缀。

打开你的本机windows，设置 -> 网络和Internet -> 高级网络设置

找到virtualBox，并选择 查看其他属性，观察你的IPv4地址的前四位和上面在虚拟机里看到的前24位是否相同，不同的话手动改一下本机的。

相同后ping一下试试，一般没问题，有问题我也不知道为什么。

回到你的虚拟机，继续配置

sudo apt-get install openssh-server
sudo /etc/init.d/ssh start
sudo systemctl enable ssh
sudo cp /etc/ssh/sshd_config /etc/ssh/sshd_config.backup # 备份
sudo vim /etc/ssh/sshd_config

追加以下内容，注意倒三行是写上你的用户名，不过按理来说大家应该都叫hust

Port 22
AddressFamily any
ListenAddress 0.0.0.0
ListenAddress ::
UsePrivilegeSeparation no
PasswordAuthentication yes
PermitRootLogin yes
AllowUsers hust
RSAAuthentication yes
PubKeyAuthentication yes

大概长这样

写完保存退出后重启一下ssh服务

1	sudo service ssh --full-restart

回到你的windows终端里测试一下连接 ssh -p 22 hust@your ip，如下表示成功：

免密登录配置

~~让我用vim写代码，不可能的事情~~

重复的东西不想写了，请参考我的另一篇配置Vmware的博客的VsCode免密连接虚拟机一章

pa1

完成这个课设的关键是：认真阅读手册和代码

cd到 ./nemu 文件夹下，修改Makefile文件，ISA改成riscv32。

因为pa1比较简单，新手保护期课程手册给的很详细、代码也不复杂很容易就能看懂。

速通秘诀：所有要修改的文件如下，自己抄答案对着复制（详细内容等我写完报告回来更新）

pa-1.1

结果提交

修改完后使用 make submit 提交，输入初始化的账号密码。如下，提交成功。

pa2

前置

要改的文件见本章最后“提交结果”，以下是实验过程记录。

按照GitBook教程创建新的分支；

下载好交叉编译器到本地（注意版本），传到虚拟机里，注意路径。

传完了之后解压，然后按照教程更改环境变量，改完记得要先激活一下，出现如下情况说明成功。

pa-2.1

这部分要求实现dummy.c程序的运行，运行起来后是 ABORT 的状态

通过make生成的 nexus-am/tests/cputest/build/dummy-riscv32-nemu.txt 文件找到看起来需要实现的指令有： li、auipc、addi、jal、lui、mv、sw、ret。

通过手册我们可以发现 li 指令是lui 和 addi 指令的组合，因此不需要单独实现；最后的 ret 指令是伪指令，其实需要实现的是 jalr；mv 指令也是伪指令，会被扩展成 addi rd, rs1, 0，不需要单独实现。通过阅读代码发现 sw 也已经实现（st和store，st执行辅助函数在 ldst.c文件）

实现新指令的方法

在opcode_table中填写正确的译码辅助函数, 执行辅助函数以及操作数宽度；

用RTL实现正确的执行辅助函数, 需要注意使用RTL伪指令时要遵守上文提到的小型调用约定

lui

属于U型指令，opcode_table写入 nemu/src/isa/riscv32/exec/exec.c、译码辅助函数 nemu/src/isa/riscv32/decode.c 、执行辅助函数 nemu/src/isa/riscv32/exec/compute.c 都已经帮我们实现了。

这里填13是因为 lui 指令的操作码是0110111，第6到2位是01101，即十进制的13，所以对应opcode_table[13]。注释里的00/01/10/11是指它的操作码的第七位和第六位，先根据这个索引再往后看三位，所以一行有八个空。

auipc

属于U型指令，译码辅助函数上面lui已经实现，这里只需要实现执行辅助函数即可和填表即可

make_EHelper(auipc) {
  rtl_add(&id_dest->val, &cpu.pc, &id_src->val);
  rtl_sr(id_dest->reg, &id_dest->val, 4);
  print_asm_template2(auipc);
}

第五位填表

addi

属于I型指令，要实现一个I型译码辅助函数，如下：

make_DHelper(I) {
  decode_op_r(id_src, decinfo.isa.instr.rs1, true);
  decode_op_i(id_src2, decinfo.isa.instr.simm11_0, true);
  decode_op_r(id_dest, decinfo.isa.instr.rd, false);
}

再实现一个执行辅助函数

make_EHelper(addi) {
  rtl_add(&id_dest->val, &id_src->val, &id_src2->val);
  rtl_sr(id_dest->reg, &id_dest->val, 4);
  print_asm_template3(addi);
}

第四位填表。

后面的 jalr、jal流程也差不多。

填完的表是这样的：

结果

这里遇到了一个bug：

根据错误信息“riscv-none-embed-ld: Command not found”得到信息应该是构建过程中找不到 riscv-none-embed-ld 命令，所以是环境变量的问题，重新激活一下环境变量即可。

重新make run，显示成功：

pa-2.2

上面pa2-1对应的那几个文件现在除了 system 系统调用指令其它都可以复制了。

这部分要求完善AM项目下的代码，实现更多的指令和一些必要的库函数。

使用 runall.sh 脚本测试一下，会在本地反汇编出所有没有通过的测试文件。

同时会给出测试结果

I型指令

要实现好多I型指令，不妨尝试抽象成整个I型执行辅助函数，避免代码的重复，使用switch函数先对 decinfo.isa.instr.funct3 的值进行分支跳转。

switch (decinfo.isa.instr.funct3) {
    case 0: // addi相关
      rtl_addi(&id_dest->val, &id_src->val, decinfo.isa.instr.simm11_0);
      if (decinfo.isa.instr.rs1 == 0) { // li伪指令
        print_asm_template2(li);
      } else if (decinfo.isa.instr.simm11_0 == 0) { // mv伪指令
        print_asm_template2(mv);
      } else {  // addi本身
        print_asm_template3(addi);
      }
      break;
    default:
      assert(0 && "Unfind the opcode"); break;
  }

再在此基础上进行完善，此过程就是不断的查表和调试。

然后更改opcode_table对应的字段，其实就是把原来的addi改成i即可。

R型指令

同理，实现译码辅助函数和执行辅助函数然后填表，不再赘述。

注意mulhsu指令实现的时候要自己封装一个rtl函数

// ./nemu/include/rtl/c_op.h
#define c_mul_hsu(a, b) (((int64_t)(a) * (uint64_t)(b)) >> 32) 

// ./nemu/include/rtl/rtl-wrapper.h
#define rtl_mul_hsu   concat(RTL_PREFIX, _rtl_mul_hsu )

// ./nemu/include/rtl/rtl.h
make_rtl_arith_logic(mul_hsu)

B型指令

在control.c添加执行辅助函数，老地方添加译码辅助函数，然后填表。

到这一步测试一下，结果是这样的。

Load和Store指令

这部分需要在 ldst.c 文件里完成执行辅助函数，填充load_table,store_table。

store指令的执行函数已经实现了没什么问题

static OpcodeEntry load_table [8] = {
  EXW(ld, 1), EXW(ld, 2), EXW(ld, 4), EMPTY, EXW(ld, 1), EXW(ld, 2), EMPTY, EMPTY
};

static OpcodeEntry store_table [8] = {
  EXW(st, 1), EXW(st, 2), EXW(st, 4), EMPTY, EMPTY, EMPTY, EMPTY, EMPTY
};

这部分完成后测试发现load-store文件和string文件无法通过，查看教程发现string.c需要实现 nexus-am/libs/klib/src/string. 而根据load-store-log.txt出错的原因如下，即没有找到rtl_sext，所以我们需要补充一下。

static inline void rtl_sext(rtlreg_t* dest, const rtlreg_t* src1, int width) {
  int32_t temp = *src1;
  switch(width) {
    case 4: *dest = *src1; return;
    case 3: temp = temp <<  8; *dest = temp >>  8; return; 
    case 2: temp = temp << 16; *dest = temp >> 16; return; 
    case 1: temp = temp << 24; *dest = temp >> 24; return;
    default: assert(0);
  }
}

测试结果：成功

字符串处理函数

各个函数功能和实现思路下：

函数	功能	实现思路
`strlen`	计算字符串的长度	遍历字符串，直到遇到字符串结束符，记录遍历的次数作为字符串的长度。
`strcpy`	将源字符串复制到目标字符串	遍历源字符串的每个字符，逐个将字符复制到目标字符串中，直到遇到源字符串的结束符。最后，在目标字符串的末尾添加结束符。
`strncpy`	将源字符串的一部分复制到目标字符串	遍历源字符串的每个字符，在达到指定的复制长度 `n` 或者遇到源字符串的结束符之前，将字符复制到目标字符串中。如果已经复制了 `n` 个字符，但源字符串仍未结束，则在目标字符串的末尾添加结束符。
`strcat`	将源字符串追加到目标字符串的末尾	首先找到目标字符串的结束符，然后遍历源字符串的每个字符，将字符追加到目标字符串的末尾，并在最后添加结束符。
`strcmp`	比较两个字符串的大小	逐个比较两个字符串中的字符，直到遇到不相等的字符或者其中一个字符串结束。
`strncmp`	比较两个字符串的大小，最多比较 `n` 个字符	与 `strcmp` 函数类似，但是限制了最大比较的字符数量为 `n`
`memset`	将一块内存区域填充为指定的值	将内存区域的每个字节都设置为指定的值 `c`，实现了内存的填充操作。
`memcpy`	将一块内存区域复制到另一块内存区域	遍历源内存区域的每个字节，逐个将字节复制到目标内存区域中，实现了内存的复制操作。
`memcmp`	比较两块内存区域的内容是否相等	逐个比较两个内存区域中的字节，直到遇到不相等的字节或者比较的次数达到指定的长度 `n`。

string.c通过了之后hello-str.c又不能通过了….看教程是要完成 sprintf() 函数，它的参数数目是可变的。

为了实现这个函数我们要根据格式字符串 fmt 和可变参数列表中的参数，将格式化后的字符串存储在目标字符串 out 中。然后调用 vsprintf 函数将格式化的字符串存储在目标字符串中，返回格式化后的字符串长度 len。

一共需要下列几个辅助函数：

vsprintf 函数：根据格式字符串 fmt 和可变参数列表中的参数，将格式化后的字符串存储在目标字符串 out 中。通过遍历格式字符串的每个字符，根据不同的格式符进行相应的处理。当遇到普通字符时，将其直接复制到目标字符串中；当遇到格式符 % 时，根据后续字符来解析相应的参数，并调用相应的函数进行处理。函数返回格式化后的字符串长度 out_len。
add_string 函数：将字符串添加到目标字符串中。
add_char 函数：将字符添加到目标字符串中。
is_digit 函数：判断一个字符是否为数字；
add_number 函数：将数字添加到目标字符串中。

完成这部分之后就能通过全部的测试文件。

pa-2.3

串口

运行Hello World

修改文件，打开HAS_IOE宏定义，关闭调试。

运行结果

实现printf

根据之前实现 sprintf() 的思路，调用 vsprintf() 即可。

int printf(const char *fmt, ...) {
  va_list args;
  va_start(args, fmt);
  char outBuf[256] = {'\0'};
  int length = vsprintf(outBuf, fmt, args); 
  for (size_t i = 0; outBuf[i]; i++) {
    _putc(outBuf[i]);
  }
  va_end(args);
  return length;
}

时钟

实现

先在初始化函数 __am_timer_init 中对 boot_time 进行初始化，然后在 _DEVREG_TIMER_UPTIME 条件分支下将 uptime->lo 更新为当前时间和初始时间的差。

测试一下，显示成功。

1	make mainargs=t run

跑分结果

coremark

dhrystone

microbench

键盘

先通过 inl(KBD_ADDR) 从 MMIO 中获取键盘码，通过键盘码和KEYDOWN_MASK 相与得到当前键盘的状态，通过键盘码和 ～KEYDOWN_MASK 相与得到没有按键时的状态。代码如下。

uint32_t keyboard_code = inl(KBD_ADDR);
kbd->keydown = keyboard_code & KEYDOWN_MASK ? 1 : 0;
kbd->keycode = keyboard_code & ~KEYDOWN_MASK;
return sizeof(_DEV_INPUT_KBD_t);

这里要回虚拟机进行测试，因为在Vscode里没法进行弹窗

1 2	cd ~/ics2019/nexus-am/tests/amtest/ make ARCH=riscv32-nemu mainargs=k run

VGA

这里有两个工作：

完善 nemu/src/device/vga.c 中的 vga_io_handler() 函数；
实现 _DEVREG_VIDEO_INFO 和 _DEVREG_VIDEO_FBCTL 的功能。

测试结果：

1	make ARCH=riscv32-nemu mainargs=v run

其它结果展示

slider

typing

提交结果

merge到master

pa3

pa-3.1

实现自陷操作

在nanos-lite/include/common.h中定义 HAS_CTE。

定义了宏HAS_CTE后, Nanos-lite会在panic()前调用_yield()来触发自陷操作. 为了支撑这次自陷操作, 需要在NEMU中实现raise_intr()函数来模拟异常响应机制。

修改 ISADecodeInfo 结构：

struct ISADecodeInfo {
  Instr instr;
  uint32_t sepc;
  uint32_t sstatus;
  uint32_t scause;
  uint32_t stvec;
};

最终实现的 raise_intr() 函数如下：

void raise_intr(uint32_t NO, vaddr_t epc) {
  decinfo.isa.sepc = epc;
  decinfo.isa.scause = NO;
  decinfo.jmp_pc = decinfo.isa.stvec;
  rtl_j(decinfo.jmp_pc);
}

然后我们需要实现ecall环境调用指令、sret 管理员模式例外返指令，及一系列的控制状态寄存器相关操作的指令。

步骤同pa2一样逐步完成译码辅助函数、执行辅助函数的编写和对应的声明，最后在opcode_table填表。

// 译码辅助函数
make_DHelper(SYSTEM) {
  decode_op_r(id_src, decinfo.isa.instr.rs1, true);
  decode_op_i(id_src2, decinfo.isa.instr.csr, true);
  decode_op_r(id_dest, decinfo.isa.instr.rd, false);
  print_Dop(id_src->str, OP_STR_SIZE, "0x%x", decinfo.isa.instr.csr);
}

执行辅助函数的部分我们需要两个控制状态寄存器相关指令，一个负责读取一个负责写入。写入时接受一个CSR编号和一个要写入的值作为参数，根据CSR编号将给定的值写入相应的CSR；读取则只需要一个CSR编号作为参数。

void write_csr(int csr, int32_t val) {
  switch(csr) {
    case 0x100:	decinfo.isa.sstatus = val; break;
    case 0x105:	decinfo.isa.stvec = val; break;
    case 0x141: decinfo.isa.sepc = val; break;
    case 0x142: decinfo.isa.scause = val; break;
    default: assert(!"Unfind the csr");
	}
}

int32_t read_csr(int csr) {
	switch(csr) {
    case 0x100: return decinfo.isa.sstatus;
    case 0x105: return decinfo.isa.stvec;
    case 0x141: return decinfo.isa.sepc;
    case 0x142: return decinfo.isa.scause;
    default: assert(!"Unfind the csr");
	}
}

最后调用上述两个寄存器控制指令和前面完成的 raise_intr() 函数来完成触发异常后的响应，完成执行辅助函数。

成功跳转：

保存上下文

顺序是gpr, cause, status, epc, as

事件分发

这一部分需要我们先在 __am_irq_handle() 函数中通过异常号识别出自陷异常, 然后将event 设置为编号为 _EVENT_YIELD 的自陷事件；然后通过do_event()函数根据事件类型再次进行分发。注意这里不要全复制了，只复制 case _EVENT_YIELD 和 case -1 部分，其它是pa3-2的。

实现成功，可以看到在下图中成功打印了我们的提示语句“Self trap!”。

恢复上下文

这部分需要实现sret指令即可，前面已经实现了。

pa-3.2

加载用户程序

在这里先补充 ./nanos-lite/src/loader.c 中的loader函数，实现用户程序加载。

resource.S文件里用汇编将ramdisk.img放在了静态存储区data section（实际上程序应该放在硬盘中，但就如文档所说当前用ram来模拟，因此放在了内存中的静态存储区），我们需要负责判断elf合法性，如果合法的话，我们需要做的是把程序加载到它应该处于的内存段中，以及将.bss段（全局变量区）清零，其中phdr（program header）中的p_vaddr即程序段应该加载到的内存段的首地址。

static uintptr_t loader(PCB *pcb, const char *filename) {
  Elf_Ehdr ehdr;
  ramdisk_read(&ehdr, 0, sizeof(Elf_Ehdr));
  assert((*(uint32_t *)ehdr.e_ident == 0x464c457f));

  Elf_Phdr phdr[ehdr.e_phnum];
  ramdisk_read(phdr, ehdr.e_phoff, sizeof(Elf_Phdr)*ehdr.e_phnum);
  for (int i = 0; i < ehdr.e_phnum; i++) {
    if (phdr[i].p_type == PT_LOAD) {
      ramdisk_read((void*)phdr[i].p_vaddr, phdr[i].p_offset, phdr[i].p_memsz);
      memset((void*)(phdr[i].p_vaddr+phdr[i].p_filesz), 0, phdr[i].p_memsz - phdr[i].p_filesz);
    }
  }
  return ehdr.e_entry;
}

然后在 proc.c 中添加教程要求的 naive_uload(NULL, NULL)，调用刚刚实现的loader来加载第一个用户程序，可以看到执行dummy程序时在Nanos-lite中触发了一个未处理的1号事件。同时我们可以看到绿色框上面显示调用了 naive_uload 的信息。

识别系统调用

观察_syscall_的代码，发现是从a0寄存器取得系统调用的返回结果，因此修改GPRx的宏定义，将其改成寄存器a0的下标，就可以在操作系统中通过c->GPRx根据实际情况设置返回值了

然后要在 syscall.c 文件中实现 do_event() 调用的 do_syscall() 函数。调用 _yield 实现SYS_yield 。根据手册我们需要对它进行封装，SYS_yield系统调用直接调用CTE的_yield()即可，然后返回0，系统调用的返回值我们通过GPRx来进行设置。

同时我们还需要实现一个退出的系统调用，它接收一个退出状态的参数, 用这个参数调用_halt()。

上述过程的代码如下：

运行后我们成功得到一个 GOOD TRAP!

标准输出

因为前面埋下的雷所以被迫回头修bug^^ 这里一开始出错的原因是前面识别系统调用部分的 GPRx 的寄存器设置出错了，能通过上一小关但是在这里会导致一个bug无法正确输出。

解决问题之后这部分只要按手册实现 SYS_write 即可，然后在 nanos.c 文件中添加调用。

输出结果如下：

堆区管理

我们程序加载进内存之后，其中存在一个名为用户程序的数据段的段，并且链接的时候ld会默认添加一个名为_end的符号, 来指示程序的数据段结束的位置(program break)，在这个结束位置之后的位置用户不能再随便往里面存东西，必须通过sbrk来向系统申请，本质就是更新这个program break，通过man 3 end查阅了_end用法后，在用户层维护并更新这个program break即可：

extern uint32_t _end;
void *_sbrk(intptr_t increment) {
  static int program_break = &_end;
  int ret = program_break;
  if(!_syscall_(SYS_brk, program_break + increment, 0, 0)){
    program_break += increment;
    return (void *)ret;
  }
  return (void *)-1;
}