1.什么是用户态和内核态?两者有何区别?什么是中断和系统调用?两者有何区别?计算机在运行时,是如何确定当前处于用户态还是内核态的?
用户态是指用户程序运行时的状态，又称为目态、普通态；内核态是指操作系统管理程序运行时的状态，又称为特权态、管态、系统态。对于x86而言有四个特权级，从 0（特权最高）编号到 3（特权最低）。在实际使用中，大多数的操作系统使用两个特权级，0 和 3，即为内核模式和用户模式。
两者的却别体现在运行程序对于资源和机器指令的使用权限不同，内核态能运行的指令特权更高。中断是指CPU对系统发生的某个事件作出的一种反应，该事件改变处理器执行指令的顺序;系统调用是指供用户调用操作系统的功能的特殊指令。
中断可能是由硬件、其他进程产生的,是随机发生的，而系统调用是由当前进程产生的，是可预料的。
计算机在运行时，当前执行指令的特权级存在于 %cs 寄存器中的 CPL 域中。通过 %cs寄存器可以判断当前是用户态还是内核态。
2. 计算机开始运行阶段就有中断吗? xv6的中断管理是如何初始化的? xv6是如何实现内核态到用户态的转变的?XV6 中的硬件中断是如何开关的?实际的计算机里,中断有哪几种?
计算机开始运行阶段就有BIOS支持的中断。由于xv6在开始运行阶段没有初始化中断处理程序，于是xv6在bootasm.S中用cli命令禁止中断发生。xv6的终端管理初始化各部分通过main.c中的main()函数调用。picinit()和oapicinit()初始化可编程中断控制器consoleinit()和uartinit()设置了I/O、设备端口的中断。接着，tvinit()调用trap.c中的代码初始化中断描述符表，关联vectors.S中的中断IDT表项,在调度开始前调用idtinit()设置32号时钟中断，最后在scheduler()中调用sti()开中断，完成中断管理初始化。
xv6在proc.c中的userinit()函数中，通过设置第一个进程的tf(trap frame)中cs ds es ss处于DPL_USER(用户模式) 完成第一个用户态进程的设置，然后在scheduler中进行初始化该进程页表、切换上下文等操作，最终第一个进程调用trapret，而此时第一个进程构造的tf中保存的寄存器转移到CPU中,设置了 %cs 的低位，使得进程的用户代码运行在 CPL = 3 的情况下，完成内核态到用户态的转变。
xv6的硬件中断由picirq.c ioapic.c timer.c中的代码对可编程中断控制器进行设置和管理，比如通过调用ioapicenable控制IOAPIC中断。处理器可以通过设置 eflags 寄存器中的 IF 位来控制自己是否想要收到中断，xv6中通过命令cli关中断,sti开中断。
中断的种类有:
- 程序性中断: 程序性质的错误等，如用户态下直接使用特权指令
- 外中断: 中央处理的外部装置引发，如时钟中断
- I/O中断: 输入输出设备正常结束或发生错误时引发，如读取磁盘完成
- 硬件故障中断: 机器发生故障时引发，如电源故障
- 访管中断: 对操作系统提出请求时引发，如读写文件
3. 什么是中断描述符,中断描述符表?在 XV6 里是用什么数据结构表示的?
中断描述符代表并描述一个特定的中断。中断描述符表(IDT)是一个表，将每个异常或中断向量分别与它们的处理过程联系起来，其中的表项是中断描述符。XV6中的中断描述符由mmu.h中的gatedesc结构体表示，保存了类型、对应处理程序、Offset等信息，中断描述表由struct gatedesc idt[256]表示。
4. 请以某一个中断(如除零,页错误等)为例,详细描述 XV6 一次中断的处理过程。包括:涉及哪些文件的代码?如何跳转?内核态,用户态如何变化?涉及哪些数据结构等等。
以除零错误中断为例，CPU根据当前是用户态保存相应寄存器，然后访问IDT 表，表项指向的中断处理函数入口捕获到中断，将对应的中断号压栈，并调用alltraps:
.globl vector0 vector0: pushl $0 pushl $0 jmp alltraps
alltraps继续保存处理器的寄存器，设置数据和CPU段，然后压入 %esp，调用trap，到此时已完成用户态到内核态的转变：
... movw $(SEG_KDATA<<3), %ax movw %ax, %ds ... pushl %esp call trap
trap会根据%esp指向对应的tf，首先根据trapno判断该中断是否是系统调用，之后判断硬件中断，由于除零不是以上两种，于是判断为代码错误中断，并且是发生在用户空间的。接着处理程序将该进程标记为killed，并退出，继续下一个进程的调度。
switch(tf->trapno){
...
//PAGEBREAK: 13
default:
if(proc == 0 || (tf->cs&3) == 0){
// In kernel, it must be our mistake.
...
}
// In user space, assume process misbehaved.
...
proc->killed = 1;
}
...
// Check if the process has been killed since we yielded
if(proc && proc->killed && (tf->cs&3) == DPL_USER)
exit();
涉及到的主要数据结构:
extern uint vectors[]; // in vectors.S: array of 256 entry pointers
struct gatedesc idt[256];
// hardware and by trapasm.S, and passed to trap().
struct trapframe {
// registers as pushed by pusha
uint edi;
...
};
另外，如果是执行的是系统调用,则会通过syscall.c中的syscall()调用对应的处理程序，之后控制流返回trapasm.S，还会恢复被压入栈的寄存器，执行iret跳回到用户空间，完成内核态到用户态的转变。
5. 请以系统调用 setrlimit(该系统调用的作用是设置资源使用限制)为例,叙述如何在 XV6 中实现一个系统调用。(提示:需要添加系统调用号,系统调用函数,用户接口等等)。
- 在
syscall.h中添加对应的系统调用号#define SYS_setrlimit 22 - 在
syscall.c中添加对应的处理程序的调用接口extern int sys_setrlimit(void); static int (*syscalls[])(void) = { ... [SYS_setrlimit] sys_setrlimit, }; - 在
sysproc.c中添加系统调用函数int sys_setrlimit(void),具体实现对于进程资源使用限制的设置
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