用户模式
在本章中，我们将运行上一章创建的应用程序。
提取可执行文件
在像 ELF 这样的可执行文件格式中，加载地址存储在其文件头(ELF 中的程序头)中。但是，由于我们的应用程序的执行镜像是原始二进制文件，我们需要使用固定值来准备它：
// 应用程序镜像的基础虚拟地址。这需要与 `user.ld` 中定义的起始地址匹配。
#define USER_BASE 0x1000000接下来，定义符号以使用嵌入的 shell.bin.o 原始二进制文件：
extern char _binary_shell_bin_start[], _binary_shell_bin_size[];同时，更新 create_process 函数以启动应用程序：
void user_entry(void) {
PANIC("not yet implemented");
}
struct process *create_process(const void *image, size_t image_size) {
/* 省略 */
*--sp = 0; // s3
*--sp = 0; // s2
*--sp = 0; // s1
*--sp = 0; // s0
*--sp = (uint32_t) user_entry; // ra (已更改!)
uint32_t *page_table = (uint32_t *) alloc_pages(1);
// 映射内核页。
for (paddr_t paddr = (paddr_t) __kernel_base;
paddr < (paddr_t) __free_ram_end; paddr += PAGE_SIZE)
map_page(page_table, paddr, paddr, PAGE_R | PAGE_W | PAGE_X);
// 映射用户页。
for (uint32_t off = 0; off < image_size; off += PAGE_SIZE) {
paddr_t page = alloc_pages(1);
我们修改了 create_process 以接受执行镜像的指针(image)和镜像大小(image_size)作为参数。它按指定大小逐页复制执行镜像并将其映射到进程的页表中。同时，它将第一次上下文切换的跳转目标设置为 user_entry。目前，我们将保持这个函数为空。
WARNING
如果直接映射执行镜像而不复制它，同一应用程序的进程最终会共享相同的物理页面。这会破坏内存隔离！
最后，修改 create_process 函数的调用者，使其创建一个用户进程：
void kernel_main(void) {
memset(__bss, 0, (size_t) __bss_end - (size_t) __bss);
printf("\n\n");
WRITE_CSR(stvec, (uint32_t) kernel_entry);
idle_proc = create_process(NULL, 0); // 已更新!
idle_proc->pid = -1; // idle
current_proc = idle_proc;
// 新增!
create_process(_binary_shell_bin_start, (size_t) _binary_shell_bin_size);
yield();
PANIC("switched to idle process");
}让我们试一试，并用 QEMU monitor 检查执行镜像是否按预期映射：
(qemu) info mem
vaddr paddr size attr
-------- ---------------- -------- -------
01000000 0000000080265000 00001000 rwxu---
01001000 0000000080267000 00010000 rwxu---我们可以看到物理地址 0x80265000 被映射到虚拟地址 0x1000000(USER_BASE)。让我们看看这个物理地址的内容。要显示物理内存的内容，使用 xp 命令：
(qemu) xp /32b 0x80265000
0000000080265000: 0x37 0x05 0x01 0x01 0x13 0x05 0x05 0x26
0000000080265008: 0x2a 0x81 0x19 0x20 0x29 0x20 0x00 0x00
0000000080265010: 0x01 0xa0 0x00 0x00 0x82 0x80 0x01 0xa0
0000000080265018: 0x09 0xca 0xaa 0x86 0x7d 0x16 0x13 0x87似乎存在一些数据。检查 shell.bin 的内容以确认它们确实匹配：
$ hexdump -C shell.bin | head
00000000 37 05 01 01 13 05 05 26 2a 81 19 20 29 20 00 00 |7......&*.. ) ..|
00000010 01 a0 00 00 82 80 01 a0 09 ca aa 86 7d 16 13 87 |............}...|
00000020 16 00 23 80 b6 00 ba 86 75 fa 82 80 01 ce aa 86 |..#.....u.......|
00000030 03 87 05 00 7d 16 85 05 93 87 16 00 23 80 e6 00 |....}.......#...|
00000040 be 86 7d f6 82 80 03 c6 05 00 aa 86 01 ce 85 05 |..}.............|
00000050 2a 87 23 00 c7 00 03 c6 05 00 93 06 17 00 85 05 |*.#.............|
00000060 36 87 65 fa 23 80 06 00 82 80 03 46 05 00 15 c2 |6.e.#......F....|
00000070 05 05 83 c6 05 00 33 37 d0 00 93 77 f6 0f bd 8e |......37...w....|
00000080 93 b6 16 00 f9 8e 91 c6 03 46 05 00 85 05 05 05 |.........F......|
00000090 6d f2 03 c5 05 00 93 75 f6 0f 33 85 a5 40 82 80 |m......u..3..@..|嗯，以十六进制形式很难理解。让我们反汇编机器代码，看看它是否匹配预期的指令：
(qemu) xp /8i 0x80265000
0x80265000: 01010537 lui a0,16842752
0x80265004: 26050513 addi a0,a0,608
0x80265008: 812a mv sp,a0
0x8026500a: 2019 jal ra,6 # 0x80265010
0x8026500c: 2029 jal ra,10 # 0x80265016
0x8026500e: 0000 illegal
0x80265010: a001 j 0 # 0x80265010
0x80265012: 0000 illegal它计算/填充初始栈指针值，然后调用两个不同的函数。如果我们将其与 shell.elf 的反汇编结果进行比较，我们可以确认它们确实匹配：
$ llvm-objdump -d shell.elf | head -n20
shell.elf: file format elf32-littleriscv
Disassembly of section .text:
01000000 <start>:
1000000: 37 05 01 01 lui a0, 4112
1000004: 13 05 05 26 addi a0, a0, 608
1000008: 2a 81 mv sp, a0
100000a: 19 20 jal 0x1000010 <main>
100000c: 29 20 jal 0x1000016 <exit>
100000e: 00 00 unimp
01000010 <main>:
1000010: 01 a0 j 0x1000010 <main>
1000012: 00 00 unimp过渡到用户模式
要运行应用程序，我们使用一个称为用户模式的 CPU 模式，在 RISC-V 中称为 U-Mode。切换到 U-Mode 非常简单。以下是方法：
#define SSTATUS_SPIE (1 << 5)// ↓ __attribute__((naked)) 非常重要!
__attribute__((naked)) void user_entry(void) {
__asm__ __volatile__(
"csrw sepc, %[sepc] \n"
"csrw sstatus, %[sstatus] \n"
"sret \n"
:
: [sepc] "r" (USER_BASE),
[sstatus] "r" (SSTATUS_SPIE)
);
}从 S-Mode 到 U-Mode 的切换是通过 sret 指令完成的。然而，在改变操作模式之前，它对 CSR 进行了两次写入：
- 在
sepc寄存器中设置转换到 U-Mode 时的程序计数器。也就是sret跳转的地方。 - 在
sstatus寄存器中设置SPIE位。设置这个位在进入 U-Mode 时启用硬件中断，并且会调用在stvec寄存器中设置的处理程序。
TIP
在本书中，我们不使用硬件中断而是使用轮询，所以设置 SPIE 位并不是必需的。然而，明确设置比默默忽略中断要好。
尝试用户模式
现在让我们试一试！但是，因为 shell.c 只是无限循环，我们无法在屏幕上判断它是否正常工作。相反，让我们用 QEMU monitor 看看：
(qemu) info registers
CPU#0
V = 0
pc 01000010看起来 CPU 在持续执行 0x1000010。它似乎工作正常，但总觉得不太令人满意。所以，让我们看看是否可以观察到 U-Mode 特有的行为。在 shell.c 中添加一行：
#include "user.h"
void main(void) {
*((volatile int *) 0x80200000) = 0x1234; // 新增!
for (;;);
}这个 0x80200000 是内核使用的内存区域，它在页表上映射。然而，由于它是一个未设置页表项中 U 位的内核页，应该会发生异常(页面错误)，内核应该会 panic。让我们试试：
$ ./run.sh
PANIC: kernel.c:71: unexpected trap scause=0000000f, stval=80200000, sepc=0100001a第 15 个异常(scause = 0xf = 15)对应于"Store/AMO page fault"。看起来预期的异常确实发生了！另外，sepc 中的程序计数器指向我们添加到 shell.c 的那一行：
$ llvm-addr2line -e shell.elf 0x100001a
/Users/seiya/dev/os-from-scratch/shell.c:4恭喜！你已经成功执行了你的第一个应用程序！实现用户模式是不是非常简单？内核与应用程序非常相似 - 它只是拥有更多的特权。