10. NOVA System call

NOVA – Systémová volání a správa paměti

Na tomto cvičení se seznámíte s jádrem miniaturního OS NOVA a implementujete do něj systémové volání nbrk. NOVA je mikrohypervizor původně vyvíjený na Drážďanské univerzitě, později ve firmě Intel a nyní firmami GENODE labs, BedRock Systems a Cyberus Technology. Na cvičeních však nebudete pracovat s kompletní verzí jádra NOVA, ale se zjednodušenou verzí pro výuku, která má pouze dva tisíce řádek kódu.

Domácí příprava

Pro toto cvičení se vám bude hodit:

Zadání úlohy

V jádře OS Nova implementujte systémové volání nbrk s prototypem:

void *nbrk(void *address)

Toto systémové volání nastaví konec datového segmentu v adresním prostoru procesu (tzv. program break nebo jen break) na adresu danou parametrem address. Tím se zvětší nebo zmenší množství alokované paměti, které může program využívat ke svému běhu. Break je první adresa za koncem namapovaného datového segmentu.

Vaše řešení by mělo splňovat následující požadavky:

  • Po úspěšném návratu ze systémového volání je break nastaven na hodnotu address. To znamená, že uživatelský program může používat paměť od adresy 0x1000 do adresy o jedna menší než address.
  • Přístup na stránky začínající na adrese vyšší či rovné address nebude programu dovolen.
  • Break nesmí jít nastavit na nižší hodnotu, než je jeho hodnota při spuštění programu. Tím by se program připravil o část svého kódu nebo dat.
  • Break nesmí jít nastavit na vyšší hodnotu než 0xBFFFF000. Tím by aplikace mohla přepsat svůj zásobník nebo dokonce jádro, které je namapováno od adresy 0xC0000000 výš.
  • Při úspěšném dokončení je vrácena původní hodnota break před vykonáním systémového volání. Při chybě je vrácena hodnota 0.
  • Pokud je address rovno NULL (0), nejedná se o chybu a hodnota break se nemění. Toto volání slouží pouze ke zjištění aktuální hodnoty break.
  • Při žádném volání nbrk nesmí dojít k „pádu“ systému.
  • ABI systémového volání bude následující:
    • vstup: AL=3, ESI=address,
    • výstup: EAX=návratová hodnota.
  • Nově alokovaná paměť bude inicializována na nulu.
  • Při snižování hodnoty break bude nepřístupná paměť dealokována (a odmapována), aby mohla být opět alokována později.
  • Při chybě alokace paměti v průběhu systémového volání nebude adresní prostor uživatelské aplikace změněn a částečně alokovaná paměť bude dealokována.
  • Při kompilaci nevypisuje kompilátor žádná varování.

Odevzdává se archiv se souborem ec_syscall.cc obsahující vaši implementaci, ideálně vytvořený pomocí:

make hw10

Nápověda

  • Operační systém NOVA s testovací aplikací user/hello.c můžete nabootovat buď na fyzickém počítači pomocí zavaděče podporujícího specifikaci multiboot (např. GRUB 2), ale pravděpodobně bude efektivnější ho pouštět jako virtuální stroj například v emulátoru Qemu. Pro to stačí spustit příkaz:

    make run

  • Pokud se vám při spuštění qemu zobrazuje hláška:

    Unable to init server: Could not connect: Connection refused
gtk initialization failed

    znamená to, že nemůžete spouštět grafické aplikace. V tom případě můžete spustit qemu bez podpory grafického rozhraní:

    qemu-system-i386 -nographic -kernel kern/build/hypervisor -initrd user/hello

  • Pokud úlohu vyvíjíte na Windows ve WSL, je několik možností jak OS NOVA spustit.

    1. Nejjednodušší možnost je instalovat Qemu do WSL a využít toho, že aktuální verze WSL podporuje grafické aplikace. Po instalaci Qemu spusťte příkaz make run a pokud selže s chybou (viz výše), aktualizujte WSL pomocí příkazu wsl --update (je třeba spustit z Windows, ne z WSL).
    2. Alternativní varianta je nainstalovat Qemu do Windows a následně přidat jeho instalační složku (typicky C:\Program Files\qemu) do environment proměnné PATH – třeba přes GUI (Start Menu -> vyhledejte PATH -> vyberte Edit the system environment variables -> dole tlačítko Environment variables, a pak v části System variables upravte Path. Pokud vám hledání PATH nedá žádné relevantní výsledky (pravděpodobně kvůli neanglické lokalizaci Windows), vyhledejte místo PATH přímo program SystemPropertiesAdvanced. Poté zavřete a znovu otevřete WSL terminal, aby se změna v environmentu promítla (program si drží prostředí, které dostal při spuštění).

    Následně spusťte příkaz make run. Výstup seriové linky by se měl zobrazovat v terminálu, a zároveň by se mělo otevřít GUI okno Qemu. Virtualní stroj můžete ukončit buď zavřením Qemu okna, nebo stisknutím Ctrl-c v původním WSL terminalu.

  • Vaše řešení musí změnit funkci Ec::syscall_handler(). Buď vše implementuje v této funkci, nebo vytvořte novou funkci, kterou z Ec::syscall_handler() zavoláte a předáte jí všechny potřebné parametry.

  • Při zvětšování hodnoty „program break“ musíte v jádře alokovat paměť a namapovat ji do adresního prostoru uživatelské aplikace modifikováním stránkovacích tabulek. Inspirací vám může být funkce Ec::root_setup(), která připravuje paměť pro spouštěný program. Funkce čte hlavičky z binárky aplikace, které si můžete zobrazit příkazem readelf --program-headers hello.

    Na konci funkce nastaví proměnné Ec::break_min a Ec::break_current, které pravděpodobně budete potřebovat ve své implementaci.

  • Při snižování hodnoty „program break“ naopak musíte mapování zrušit a paměť dealokovat.

  • Při startu uživatelského programu (např. hello) je jeho paměťová mapa následující (trochu zjednodušeno):

    Adresy Obsah
    0x00001000 – 0xXXXXX000-1 kód programu, viz .text ve výstupu příkazu readelf --sections hello
    0xXXXXX000 – 0xYYYYY000-1 data programu, viz .data a .bss ve výstupu příkazu readelf --sections hello
    0xYYYYY000 program break
    0xBFFFF000 – 0xC0000000-1 zásobník (4 kB); počáteční hodnota registru ESP je 0xC0000000

  • Ke kódu jádra NOVA není podrobná dokumentace, ale části, které budete potřebovat, nejsou složité, a měli byste být schopni jim porozumět na základě čtení kódu a komentářů (např. zde). Pokud však i přes vaší snahu něčemu nerozumíte, klidně se zeptejte.

Ladění

Při vývoji operačního systému nelze používat debugger tak jednoduše, jak jste zvyklí při vývoji aplikací. Ladit váš kód můžete přidáváním příkazů printf() na potřebná místa v kódu. Pokud vám to nestačí můžete použít parametr -gdb (případně zkratku -s) emulátoru Qemu.

Abychom vám ladění usnadnili, v hlavním Makefile jsou připravena pravidla jak pro spouštění Qemu se zmiňovanými parametry, tak pro spouštění debuggeru gdb tak, aby šel ladit kód běžící v Qemu:

  • V jednom okně spusťte příkaz

    make rd

    který spustí Qemu, které po startu počká na připojení debuggeru.

  • V druhém okně pak spusťte

    make du

    (pokud chcete ladit uživatelský program (nápř. `hello‘)) nebo

    make dk

    pokud chcete ladit jádro.

    Můžete v Makefile změnit argument příkazu break tak, aby se vykonávání programu zastavilo na funkci (či řádku), který potřebujete odladit.

Užitečné příkazy gdb

Příkazy se většinou dají zkrátit na první znak.

  • Běh programu: next (n), step (s), continue (c)
  • Výpis proměnných: print (např. p initialized_var nebo hexadecimálně: p/x initialized_var)
  • Výpis paměti: x (např: x/16 0x2000 vypíše 16 slov od adresy 0x200, x/16 &initialized_var vypíše 16 slov začínající na adrese proměnné initialized_var.
  • Informace: info registers vypíše hodnoty registrů, info locals vypíše hodnoty lokálních proměnných atd.
  • Zobrazení: layout src zobrazí zdrojový kód i příkazové okno, Ctrl-L překreslí obrazovku, tui disable vypne zobrazování zdrojového kódu.

Monitorovací konzole Qemu

Pro ladění můžete používat i monitorovací konzoli Qemu, která umožňuje zobrazit stav emulovaného CPU.

  • Do konzole se přepnete stiskem Ctrl-Alt-2 v grafickém okně (nebo stiskem Ctrl-a c pokud spouštíte qemu s přepínačem -nographic)
  • Příkazy info mem nebo info tlb vypíší informace o mapování virtuálních adres na fyzické (tj. stránkovací tabulku).
  • info registers vypíše hodnoty registrů

Video

Video níže ukazuje, tak používat debugger GDB pro ladění této a následující úlohy. Začneme ukázkou textového rozhraní gdb a pak použijeme gdb v rámci grafického vývojového prostředí Qt Creator.

Obsah videa:

  • 00:00 Úvod
  • 01:14 Ladění s GDB
  • 04:57 Ladění jádra NOVA v QtCreatoru
  • 07:58 Použití Qemu monitoru
  • 10:55 Ladění NOVA user space v QtCreatoru

Příklad

  • Předpokládejme, že break_start je na začátku Vašeho procesu nastaven na 0x5000.
  • Při volání funkce nbrk(0x9000) dojde k alokování stránek 0x5000-0x5FFF, 0x6000-0x6FFF, 0x7000-0x7FFF a 0x8000-0x8FFF.
  • Při dalším volání nbrk(0x7555) dojde k uvolnění a odmapování stránky 0x8000-0x8FFF.
  • Při dalším volání nbrk(0x7666) se neprovádí žádná alokace, ale vynuluje se paměť 0x7555-0x7665.
  • Při dalším volání nbrk(0xA000) se alokuje nová stránka pro 0x8000-0x8FFF a 0x9000-0x9FFF, a vynuluje se paměť 0x7666-0x7FFF (předpokládáme, že nově alokované stránky jsou už vynulované).

Další materiály