【一生一芯 / PA4】多道程序：上下文切换的代码基础与实现缺口（完整分析）

本文基于你的riscv32 + NEMU + AM代码。
环境路径：

NEMU：~/ysyx-workbench/nemu AM：~/ysyx-workbench/abstract-machine

一、多道程序要解决什么问题

批处理系统是：

程序 A 结束 -> 加载程序 B

多道程序更进一步：

内存里同时放多个程序 CPU 在它们之间来回切换

这样：

一个程序在等待 IO 时 CPU 可以去执行另一个程序

多道程序的核心就是三个动作：

1. 保存当前程序现场 2. 选择下一个程序 3. 恢复下一个程序现场

二、你当前代码总览

ysyx-workbench ├── nemu NEMU 模拟器 ├── abstract-machine AM 抽象层 ├── am-kernels AM 内核/测试 ├── fceux-am ├── npc └── 没有 nanos-lite

所以：

底层上下文切换机制：已有 操作系统 nanos-lite：还没有

下面逐个分析“已有”和“缺失”。

三、上下文 Context 的定义

文件：

abstract-machine/am/include/arch/riscv.h

struct Context { uintptr_t mepc, mcause, gpr[NR_REGS], mstatus; void *pdir; };

字段含义：

上下文就是“一个进程暂停时，把 CPU 所有状态抄下来”。

四、上下文保存与恢复：trap.S

文件：

abstract-machine/am/src/riscv/nemu/trap.S

__am_asm_trap: addi sp, sp, -CONTEXT_SIZE MAP(REGS, PUSH) csrr t0, mcause csrr t1, mstatus csrr t2, mepc STORE t2, OFFSET_EPC(sp) STORE t0, OFFSET_CAUSE(sp) STORE t1, OFFSET_STATUS(sp) mv a0, sp call __am_irq_handle mv sp, a0 LOAD t1, OFFSET_STATUS(sp) LOAD t2, OFFSET_EPC(sp) csrw mstatus, t1 csrw mepc, t2 MAP(REGS, POP) addi sp, sp, CONTEXT_SIZE mret

关键点

mv sp, a0

如果__am_irq_handle返回的是另一个进程的 Context，那么下面恢复的就是另一个进程的现场。

mret

最后跳回新进程的mepc。

这就是进程切换的底层基础。

五、异常处理入口：cte.c

文件：

abstract-machine/am/src/riscv/nemu/cte.c

1. 注册异常入口

bool cte_init(Context*(*handler)(Event, Context*)) { asm volatile("csrw mtvec, %0" : : "r"(__am_asm_trap)); user_handler = handler; return true; }

2. 异常分发

Context* __am_irq_handle(Context *c) { if (user_handler) { Event ev = {0}; switch (c->mcause) { case 11: if (c->gpr[17] == -1) { ev.event = EVENT_YIELD; } else { ev.event = EVENT_SYSCALL; } c->mepc += 4; break; case 0x80000007: ev.event = EVENT_IRQ_TIMER; break; default: ev.event = EVENT_ERROR; break; } c = user_handler(ev, c); assert(c != NULL); } return c; }

3. 创建内核上下文

Context *kcontext(Area kstack, void (*entry)(void *), void *arg) { Context *c = (Context *)((uint8_t *)kstack.end - sizeof(Context)); memset(c, 0, sizeof(Context)); c->mepc = (uintptr_t)entry; c->mstatus = 0x1800; c->gpr[10] = (uintptr_t)arg; return c; }

4. 主动让出 CPU

void yield() { asm volatile("li a7, -1; ecall"); }

六、你现在的事件处理函数

文件：

abstract-machine/am/src/platform/nemu/trm.c

static Context *event_handler(Event ev, Context *ctx) { switch (ev.event) { case EVENT_YIELD: break; case EVENT_SYSCALL: if (ctx->GPRx == 0) { halt(ctx->GPR1); } break; case EVENT_IRQ_TIMER: break; default: panic("Unhandled event"); break; } return ctx; }

问题

case EVENT_YIELD: break;

它只是空处理，最后：

return ctx;

返回的还是原来的上下文。

所以现在：

能进入异常 但没有真正切换进程

七、虚拟内存 VME 的现状

文件：

abstract-machine/am/src/riscv/nemu/vme.c

已有部分

bool vme_init(...) { ... set_satp(kas.ptr); vme_enable = 1; return true; }

void protect(AddrSpace *as) { PTE *updir = (PTE*)(pgalloc_usr(PGSIZE)); as->ptr = updir; as->area = USER_SPACE; as->pgsize = PGSIZE; memcpy(updir, kas.ptr, PGSIZE); }

缺失部分

void map(AddrSpace *as, void *va, void *pa, int prot) { } Context *ucontext(AddrSpace *as, Area kstack, void *entry) { return NULL; }

所以：

用户地址空间映射：未实现 用户上下文创建：未实现

八、多处理器 MPE 现状

文件：

abstract-machine/am/src/platform/nemu/mpe.c

int cpu_count() { return 1; } int cpu_current() { return 0; }

当前是：

单核

PA4 的多道程序先只做单核即可。

九、定时器中断已经打通

文件：

nemu/src/device/intr.c

void dev_raise_intr() { cpu.pc = isa_raise_intr(0x80000007, cpu.pc); }

链路：

定时器 -> timer_intr -> dev_raise_intr -> isa_raise_intr(0x80000007) -> pc = mtvec

这就是抢占式调度的硬件基础。

十、多道程序切换的完整流程

进程 A 运行中 ↓ 定时器中断 / yield ↓ 进入 trap ↓ 保存进程 A 的 Context ↓ __am_irq_handle 产生 Event ↓ 操作系统调度器选择进程 B ↓ 返回进程 B 的 Context ↓ 恢复进程 B 的现场 ↓ mret 跳到进程 B 继续运行

对应代码：

十一、代码完成度总结表

十二、PA4 你需要补的代码

1. 初始化 nanos-lite 工程 2. 定义 PCB（进程控制块） 3. 实现用户程序加载器 4. 实现 AM 的 ucontext() 5. 实现 AM 的 map() 6. 实现 nanos-lite 的调度器 7. 调度器调用 kcontext / ucontext 8. 定时器中断触发抢占调度 9. 系统调用：yield、exit、write

十三、总结

多道程序 =：

保存现场 + 选择下一个进程 + 恢复现场

你现在的状态是：

保存现场：✅ 已有 恢复现场：✅ 已有 选择下一个进程：❌ 还没有

所以 PA4 的核心任务，不是重写底层，而是：

在 nanos-lite 中实现调度器和进程管理

底层上下文切换的“积木”已经准备好了