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Application simple en mode utilisateur

Le schéma présenté rapidement au cours 10 (slides 26 à 31) et en détail dans l'annexe du cours 10 (slides 1 à 32) représente l'exécution d'une application utilisateur très simple, dont le comportement est défini par la fonction main(), depuis le démarrage du SoC jusqu'à l'exécution de la fonction exit() qui stoppe l'avancée du programme.
Son but est de comprendre les interactions entre le code de boot, le noyau, l'application et les bibliothèques système. Le schéma ci-dessous ne contient pas l'intégralité du code pour des raisons évidentes de lisibilité, mais ce qui reste devrait suffire.

• En bas à gauche, c'est le code de boot qui, ici, se contente d'initialiser la pile d'exécution du noyau et d'entrer dans le noyau par la fonction kinit() (kernel init). Ce code s'exécute en mode kernel, mais il ne fait pas partie du noyau car, dans un vrai système, il doit charger le noyau depuis le disque dur, mais, ici, le noyau est déjà en mémoire alors c'est plus simple.
• En bas, c'est le noyau avec la fonction kinit() qui initialise les structures de données internes du noyau. Ici, il s'agit juste de mettre les variables globales non initialisées à 0, puis d'appeler la routine app_load qui va entrer dans la première fonction de l'application utilisateur nommée _start(). Dans le noyau, sur la figure, on voit aussi la routine kentry qui est le point d'entrée du noyau pour la gestion des services. Actuellement, il n'y a que le gestionnaire d'appel système (syscall). Son comportement est succinctement résumé.
• En haut, c'est l'application utilisateur, décomposée en trois parties. La première à gauche est la fonction _start() appelée par le noyau au tout début de l'application. Cette fonction initialise à 0 les variables globales non initialisées dans le programme, puis elle appelle la fonction main(). Si on sort de la fonction main() avec un return, la fonction _start fait l'appel système exit(). La seconde partie au centre contient le code de l'utilisateur (notez que la fonction main() ou l'une des fonctions appelées par la fonction main() peut demander une sortie anticipée de l'application en appelant directement exit()). Enfin, la troisième partie, à droite, c'est le code des bibliothèques système utilisées par l'application, ce sont elles qui font les appels système, ici, seule la fonction clock() est représentée.

Le but de cette séance est de s'intéresser à des points particulier de ce schéma :

• D'abord, nous abordons les 2 modes d'exécution du MIPS, kernel et user, utilisés respectivement pour le noyau et l'application utilisateur.
• Puis, nous voyons les passages du noyau à l'application et de l'application au noyau.
• Ensuite, nous nous intéressons à comment écrire le code C et assembleur pour contrôler le placement en mémoire.
• Enfin, il y a quelques quelques questions sur comment compiler pour faciliter la compréhension des TPs.

1. Les modes d'exécution du MIPS et les instructions système

Dans cette section, nous allons nous intéresser à ce que propose le processeur MIPS concernant les modes d'exécution. Ce sont des questions portant sur l'usage des modes en général et le comportement du MIPS vis-à-vis de ces modes en particulier.

Questions

1. Le MIPS propose deux modes d'exécution, rappelez quels sont ces deux modes, quel est le mode utilisé par le noyau et quel est le mode utilisé par l'application ? (C10 S6+S7)
2. Commencez par rappeler ce qu'est l'espace d'adressage du MIPS et dîtes ce que signifie «une adresse X est mappée dans l'espace d'adressage du MIPS».
   Est-ce qu'une adresse X mappée dans l'espace d'adressage du MIPS est toujours accessible (en lecture ou en écriture) quelque soit le mode d'exécution du MIPS. (C10 S7)
3. Le MIPS propose des registres à usage général (GPR General Purpose Register) pour les calculs ($0 à $31).
   Le MIPS propose un deuxième banc de registres à l'usage du système d'exploitation dans le coprocesseur 0.
   Chaque registre du coprocesseur 0 (qu'on appelle ici registre système) porte un nom correspondant à son usage, nous en avons vu 3 en cours (C10 S7+S10 à S14) : c0_sr, c0_cause et c0_epc.
   Donner leur numéro et leur rôle en une phrase ?
4. Les deux instructions qui permettent de manipuler les registres du coprocesseur 0 sont mtc0 et mfc0 (C10 S11).
   Quelle est leur syntaxe ? réponse dans Documentation MIPS Architecture et assembleur (4.)
   Est-ce qu'on peut manipuler ces registres de coprocesseur avec d'autres instructions ?
   Écrivez les instructions permettant de faire c0_epc = c0_epc + 4 (vous utiliserez le registre GPR $8)
5. Le registre status (c0_sr ou $12 du coprocesseur 0) est composé de plusieurs champs de bits qui ont chacun une fonction spécifique.
   Décrivez le contenu du registre status et le rôle des bits 0, 1 et 4 de l'octet 0. (C10 S12+S13+S15)
   réponse dans Documentation MIPS Architecture et assembleur (6.)
6. Le registre cause (c0_cause ou $13 du coprocesseur 0) est contient la cause d'appel du kernel.
   Dites à quel endroit est stockée cette cause et donnez la signification des codes 0, 4 et 8 (C10 S14+S15)
   réponse dans Documentation MIPS Architecture et assembleur (7.)
7. Le registre c0_epc ($14du coprocesseur 0) est un registre 32 bits qui contient une adresse. Vous devriez l'avoir décrit dans la question 2.
   Expliquez pourquoi, dans le cas d'une exception, ce doit être l'adresse de l'instruction qui provoque une exception qui doit être stockée dans c0_epc? (C10 S15)
8. Nous avons vu trois instructions utilisables seulement lorsque le MIPS est en mode kernel, lesquelles? Que font-elles?
   Est-ce que l'instruction syscall peut-être utilisée en mode user? (C10 S11)
9. Quelle est l'adresse d'entrée dans le noyau au démarrage (à la sortie du code de boot) et après (depuis l'application) ? (C10 S15 S20)
10. Que se passe-t-il lorsqu'on entre dans le noyau après de l'exécution de l'instruction syscall? (C10 S15)
11. Quelle instruction utilise-t-on pour sortir du noyau afin d'entrer dans l'application ?
    Dîtes précisément ce que fait cette instruction dans le MIPS. (C10 S15)

2. Passage entre les modes kernel et user

Le noyau et l'application sont deux exécutables compilés indépendamment mais qui ne sont pas indépendants puisqu'on doit passer du noyau à l'application et inversement. Vous savez déjà que l'application appelle les services du noyau avec l'instruction syscall, voyons comment cela se passe vraiment depuis le code C. Certaines questions sont proches de celles déjà posées, c'est volontaire.

Questions

1. Comment imposer le placement d'adresse d'une fonction ou d'une variable en mémoire lorsqu'on produit un programme binaire exécutable, c'est-à-dire avec quel outil de la chaîne de compilation et avec quel fichier de configuration de cet outil ? (C9 S18+S22+S23 C10 annexe S6+S8)
2. Regardons comment la fonction kinit() appelle la fonction _start(), il y a deux fichiers impliqués kinit.c et hcpua.S. Pour rappel, la fonction _start() est la fonction d'entrée de l'application utilisateur, c'est elle qui appelle la fonction main(). La fonction _start() est donc dans le code de l'application, et non pas dans le noyau. Cependant le noyau doit connaitre son adresse afin de pouvoir y sauter et ainsi entrer dans l'application.

   kinit.c:
       void kinit (void)
       {
           [...]
           extern int _start;          # declaree ailleurs a une adresse connue de l'editeur de lien
           app_load (&_start);         # appel de la fonction app_load definie dans hcpua.S
       }
   
   hcpua.S:
       .globl app_load 
       app_load:                     
           mtc0   $4,      $14        # $4 contient l'argument    
           li     $26,     0x12       # $26 <--  0x12 == 0b0001010 
           mtc0   $26,     $12        # c0_sr <-- 0x12 
           la     $29,    __data_end  # initialisation du pointeur de pile 
           eret  
   

   Où se trouve la fonction _start et comment le kernel connaît-il son adresse ? (C10 S30+S32)
   À quoi sert .globl app_load ? (C9 S18 C10 S20)
   Quels sont les registres utilisés dans le code de app_load ?
   Que savez-vous de l'usage de $26 ?
   Quels sont les registres modifiés ?
   Expliquez pour chacun la valeur affectée.
   Que fait l'instruction eret ? (C10 S15)
3. Que doit-on faire avant l'exécution de la fonction main() du point de vue de l'initialisation? Et au retour de la fonction main()? (C10 S24)
4. Nous avons vu que le noyau est sollicité par des demandes de service, quels sont-ils? Nous rappelons que l'instruction syscall initialise le registre c0_cause, comment le noyau fait-il pour connaître la cause de son appel? (C10 S25)
5. On rappelle que $26 et $27 sont deux registres GPR temporaires que le noyau se réserve pour faire des calculs sans qu'il ait besoin de les sauvegarder dans la pile. Ce ne sont pas des registres système comme c0_sr ou c0_epc. En effet, l'usage de ces registres ($26 et $27) par l'utilisateur ne provoque pas d'exception du MIPS. Toutefois si le noyau est appelé alors il modifie ces registres et donc l'utilisateur perd leur valeur.
   Le code assembleur ci-après contient les instructions exécutées à l'entrée dans le noyau, quelle que soit la cause. Les commentaires présents dans le code ont été volontairement retirés (ils sont dans le cours et dans les fichiers du TP). La section .kentry est placée à l'adresse 0x80000000 par l'éditeur de lien.
   
   kernel/hcpua.S

    15 .section    .kentry,"ax"     
    16 .org        0x180            
    22 
    23 kentry:                               
    24 
    25     mfc0    $26,    $13                     
    26     andi    $26,    $26,    0x3C          
    27     li      $27,    0x20                   
    28     bne     $26,    $27,    kpanic      
   

   Ligne 16, la directive .org DEP (.org pour origine, DEP pour déplassement) permet de placer le pointeur de remplissage de la section courante à DEP octets du début de la section, ici DEP = 0x180. Pourquoi faire ça ? Aurait-on pu remplacer le .org 0x180 par .space 0x180 ? (C10 S5 et connaissance de l'assembleur) Expliquer les lignes 25 à 28. (C10 S20+S26+S31)
6. Le gestionnaire de syscall est la partie du code noyau qui gère le comportement du noyau lors de l'exécution de l'instruction syscall. C'est un code en assembleur présent dans le fichier kernel/hcpua.S que nous allons détailler. Pour vous aider dans la compréhension de ce code, vous devez imaginer que l'instruction syscall est un peu comme un appel de fonction. Ce code utilise un tableau de pointeurs de fonctions nommé syscall_vector[] définit dans le fichier kernel/ksyscalls.c. Les lignes 36 à 43 du code assembleur sont chargées d'allouer de la place dans la pile.
   
   common/syscalls.h

     1 #define SYSCALL_EXIT        0
     2 #define SYSCALL_READ        1
     3 #define SYSCALL_WRITE       2
     4 #define SYSCALL_CLOCK       3
     5 #define SYSCALL_NR          32
   

   kernel/ksyscalls.c

   void *syscall_vector[] = {
       [0 ... SYSCALL_NR - 1] = unknown_syscall,
       [SYSCALL_EXIT        ] = exit,
       [SYSCALL_READ        ] = tty_read,
       [SYSCALL_WRITE       ] = tty_write,
       [SYSCALL_CLOCK       ] = clock,
   };
   

   kernel/hcpua.S

    34 syscall_handler:
    35 
    36     addiu   $29,    $29,    -8*4            
    37     mfc0    $27,    $14                     
    38     mfc0    $26,    $12                     
    39     addiu   $27,    $27,    4               
    40     sw      $31,    7*4($29)                
    41     sw      $27,    6*4($29)                
    42     sw      $26,    5*4($29)                
    43     sw      $2,     4*4($29)                
    44     mtc0    $0,     $12                     
    45 
    46     la      $26,    syscall_vector          
    47     andi    $2,     $2,     SYSCALL_NR-1    
    48     sll     $2,     $2,     2               
    49     addu    $2,     $26,    $2              
    50     lw      $2,     0($2)                    
    51     jalr    $2                              
    52 
    53     lw      $26,    5*4($29)                
    54     lw      $27,    6*4($29)                
    55     lw      $31,    7*4($29)                
    56     mtc0    $26,    $12                     
    57     mtc0    $27,    $14                     
    58     addiu   $29,    $29,    8*4             
    59     eret                       
   

   Dessinez l'état de la pile après l'exécution de ces instructions. Que fait l'instruction ligne 44 et quelle conséquence cela a-t-il? Que font les lignes 46 à 51? Et enfin que font les lignes 53 à 59 sans détailler ligne à ligne. (C10 S26+S31+S34)

3. Langage C pour la programmation système

La programmation en C, vous connaissez, mais quand on programme pour le noyau il y a des éléments de syntaxe ou des besoins spécifiques. Pour répondre aux questions, vous devez avoir lu les transparents de l'annexe du cours 10, dans lesquels une séquence complète de code est détaillée du boot à exit.

Questions

1. En assembleur, vous utilisez les sections prédéfinies .data et .text pour placer respectivement les data et le code, mais vous pouvez créer vos propres sections avec la directive .section (nous avons utilisé cette possibilité pour la section .boot). Il est aussi possible d'imposer ou de créer des sections en langage C avec la directive __attribute__((section("section-name"))). La directive du C __attribute__ permet de demander certains comportements au compilateur. Ici, c'est la création d'une section, mais il y a beaucoup d'attributs possibles (si cela vous intéresse vous pouvez regarder dans la ​doc de GCC sur les attributs. Comment créer la section .start en C ? (C10 S30 C10 annexe S8)
2. En C, vous savez que les variables globales sont toujours initialisées, soit explicitement dans le programme lui-même, soit implicitement à la valeur 0. Les variables globales initialisées sont placées dans la section .data (ou plutôt dans l'une des sections data : .data, .sdata, .rodata, etc.) et elles sont présentes dans le fichier objet (.o) produit pas le compilateur. En revanche, les variables globales non explicitement initialisées ne sont pas présentes dans le fichier objet. Ces dernières sont placées dans un segment de la famille ​`.bss`. Le fichier ldscript permet de mapper l'ensemble des segments en mémoire. Pour pouvoir initialiser à 0 les segments bss par programme, il nous faut connaître les adresses de début et de fin où ils sont placés en mémoire.
   
   Le code ci-dessous est le fichier ldscript du kernel kernel.ld (nous avons retiré les commentaires mais ils sont dans les fichiers).

     1 SECTIONS
     2 {
     3     .boot : {
     4         *(.boot)            
     5     } > boot_region
     6     .ktext : {
     7         *(.text*)           
     8     } > ktext_region
     9     .kdata : {
    10         *(.*data*)          
    11         . = ALIGN(4);       
    12         __bss_origin = .;   
    13         *(.*bss*)           
    14         . = ALIGN(4);       
    15         __bss_end = .;      
    16     } > kdata_region
    17 }
   

   Expliquez ce que font les lignes 11, 12 et 15 ? (C10 S32)
3. Nous connaissons les adresses des registres de périphériques. Ces adresses sont déclarées dans le fichier ldscript kernel.ld. Ci-après, nous avons la déclaration de la variable de ldscript __tty_regs_map. Cette variable est aussi utilisable dans les programmes C, mais pour être utilisable par le compilateur C, il est nécessaire de lui dire quel type de variable c'est, par exemple une adresse d'entier ou une adresse de tableau d'entiers, Ou encore, une adresse de structure.
   
   Dans le fichier kernel.ld:

   __tty_regs_map   = 0xd0200000 ; /* tty's registers map, described in devices.h */
   

   Dans le fichier harch.c :

    12 struct tty_s {
    13     int write;          // tty's output address
    14     int status;         // tty's status address something to read if not null)
    15     int read;           // tty's input address
    16     int unused;         // unused address
    17 }; 
    18 
    19 extern volatile struct tty_s __tty_regs_map[NTTYS];
   

   Si NTTYS est une macro dont la valeur est 2, quelle est l'adresse en mémoire __tty_regs_map[1].read ?
   À quoi servent les mots clés extern et volatile ? (C10 annexe S23 et connaissance du C)
4. Certaines parties du noyau sont en assembleur. Il y a au moins les toutes premières instructions du code de boot (démarrage de l'ordinateur) et l'entrée dans le noyau (kentry) après l'exécution d'un syscall. Le gestionnaire de syscall est écrit en assembleur et il a besoin d'appeler une fonction écrite en langage C. Ce que fait le gestionnaire de syscall est:
   • trouver l'adresse de la fonction C qu'il doit appeler pour exécuter le service demandé;
   • placer cette adresse dans un registre, nous utilisons le registre $2;
   • exécuter l'instruction jal (ici, jal $2) pour appeler la fonction.

Que doivent contenir les registres $4 à $7 et comment doit-être la pile et le pointeur de pile? (Connaissance assembleur)

5. Vous avez appris à écrire des programmes assembleur, mais parfois il est plus simple, voire nécessaire, de mélanger le code C et le code assembleur. Dans l'exemple ci-dessous, nous voyons comment la fonction syscall() est écrite. Cette fonction utilise l'instruction syscall.
   Deux exemples d'usage de la fonction syscall() pris dans le fichier tp2/4_libc/ulib/libc.c.

     1 int fprintf (int tty, char *fmt, ...) // tty identifiant du terminal 
     2 {                                     // fmt chaine format, suivie d'arguments optionnels 
     3     int res;
     4     char buffer[PRINTF_MAX];
     5     va_list ap;
     6     va_start (ap, fmt);                               // définit le dernier argument non-optionnel
     7     res = vsnprintf(buffer, sizeof(buffer), fmt, ap); // remplit le buffer avec la chaîne à afficher
     8     res = syscall (tty, (int)buffer, 0, 0, SYSCALL_TTY_PUTS);  // ←  appel système
     9     va_end(ap);
    10     return res;
    11 }
    12 
    13 void exit (int status)
    14 {
    15     syscall( status, 0, 0, 0, SYSCALL_EXIT);                   // ← appel système
    16 }
   

Le code de cette fonction est dans le fichier tp2/4_libc/ulib/crt0.c

  1 // int syscall (int a0, int a1, int a2, int a3, int syscall_code)
  2 __asm__ (
  3 ".globl syscall     \n"         
  4 "syscall:           \n"         
  5 "   lw  $2,16($29)  \n"         
  6 "   syscall         \n"         
  7 "   jr  $31         \n"         
  8 );

Combien d'arguments a la fonction syscall()? Comment la fonction syscall() reçoit-elle ses arguments ? A quoi sert la ligne 3 de la fonction syscall() et que se passe-t-il si on la retire ? Expliquer la ligne 5 de la fonction syscall(). Aurait-il été possible de mettre le code de la fonction syscall() dans un fichier .S ? (C10 S31)

4. Génération du code exécutable

Pour simuler le logiciel, il faut produire deux exécutables. Nous utilisons, ici, un Makefile hiérarchique et des règles explicites. Cela sort du cadre de l'architecture, mais vous avez besoin de ce savoir-faire pour comprendre le code, alors allons-y.

Questions

1. Rappelez à quoi sert un Makefile? (C9 annexe S5 à S7)
2. Vous n'allez pas à avoir à écrire un Makefile complètement. Toutefois, si vous ajoutez des fichiers source, vous allez devoir les modifier en ajoutant des règles. Nous avons vu brièvement la syntaxe utilisée dans les Makefiles de ce TP. Les lignes qui suivent sont des extraits de 1_klibc/Makefile (le Makefile de l'étape1). Dans cet extrait, quelles sont la cible finale, les cibles intermédiaires et les sources? A quoi servent les variables automatiques de make? Dans ces deux règles, donnez-en la valeur. (C9 annexe S5 à S7)

   kernel.x : kernel.ld obj/hcpua.o obj/kinit.o obj/klibc.o obj/harch.o
       $(LD) -o $@ -T $^
       $(OD) -D $@ > $@.s
   
   obj/hcpua.o : hcpua.S hcpu.h
       $(CC) -o $@ $(CFLAGS) $<
       $(OD) -D $@ > $@.s
   

3. Dans le TP, à partir de la deuxième étape, nous avons trois répertoires de sources kernel, ulib et uapp. Chaque répertoire contient une fichier Makefile différent destiné à produire une cible différente grâce à une règle nommée compil, c.-à-d. si vous tapez make compil dans un de ces répertoires, cela compile les sources locales.
   Il y a aussi un Makefile dans le répertoire racine 4_libc. Dans ce dernier Makefile, une des règles est destinée à la compilation de l'ensemble des sources dans les trois sous-répertoires. Cette règle appelle récursivement la commande make en donnant en argument le nom du sous-répertoire où descendre :
   make -C <répertoire> [cible] est équivalent à cd <répertoire>; make [cible] ; cd ..
   Ecrivez la règle compil du fichier 4_libc/Makefile. (Ce n'est pas dit dans le cours, mais la question contient la réponse...)

   4_libc/
   ├── Makefile        : Makefile racine qui invoque les Makefiles des sous-répertoires et qui exécute
   ├── common ────────── répertoire des fichiers commun kernel / user
   ├── kernel ────────── Répertoire des fichiers composant le kernel 
   │   └── Makefile    : description des actions possibles sur le code kernel : compilation et nettoyage
   ├── uapp ──────────── Répertoire des fichiers de l'application user seule
   │   └── Makefile    : description des actions possibles sur le code user : compilation et nettoyage
   └── ulib ──────────── Répertoire des fichiers des bibliothèques système liés avec l'application user
       └── Makefile    : description des actions possibles sur le code user : compilation et nettoyage