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Issue created by 孙浩宇@shyliuliMaintainer

子 issue #6：进程上下文切换

子 issue #6：进程上下文切换

描述

实现 LoongArch64 的进程/线程上下文保存与恢复，使内核能 fork 进程并在父子进程间切换。

依赖

  • #4 (closed)（异常处理框架完成，与本 issue 共享 TrapFrame 类型设计）
  • #5（页表与地址空间切换完成）

与 #4 (closed) 的耦合关系

#4 (closed) 和 #6 应联合推进，因为：

  • trap entry 汇编需要知道 TrapFrame 内存布局
  • TrapFrame 的字段设计同时影响异常处理和上下文切换
  • 建议先共同定义 TrapFrame/UserContext 结构体，再分头实现 trap 汇编（#4 (closed)）和 switch 汇编（#6）

需要实现的文件

文件 说明
crate/trapframe/ (vendor) LoongArch TrapFrame、UserContext、GeneralRegs 完整定义和保存/恢复汇编
kernel/src/arch/loongarch64/interrupt/trap.S trap entry/exit 上下文保存恢复（与 #4 (closed) 共享此文件）
kernel/src/arch/loongarch64/context.rs（可选） SwitchContext 定义 + switch_to 内联汇编
kernel/src/arch/loongarch64/fp.rs FP 寄存器保存/恢复实现
kernel/src/arch/loongarch64/signal.rs MachineContext::from_tf / fill_tf 完整实现、set_signal_handler

关键技术点

LoongArch 寄存器约定

寄存器 ABI 名称 用途 保存约定
r0 zero 硬件零 -
r1 ra 返回地址 caller-saved
r2 tp 线程指针 -
r3 sp 栈指针 callee-saved
r4-r11 a0-a7 参数/返回值 caller-saved
r12-r20 t0-t8 临时 caller-saved
r21 reserved 保留 -
r22 fp/s9 帧指针 callee-saved
r23-r31 s0-s8 保存 callee-saved

建议 TrapFrame 布局

#[repr(C)]
pub struct TrapFrame {
    pub regs: [usize; 32],  // r0-r31, regs[0]=zero 始终为 0
    pub era: usize,          // CSR.ERA — 异常返回地址
    pub prmd: usize,         // CSR.PRMD — 异常前 CRMD 状态
    pub badv: usize,         // CSR.BADV — 缺页故障地址（可选）
    pub estat: usize,        // CSR.ESTAT — 异常状态（可选）
}

内核线程切换（SwitchContext）

只需保存 callee-saved 寄存器：

#[repr(C)]
pub struct SwitchContext {
    pub ra: usize,       // r1
    pub sp: usize,       // r3
    pub s0: usize,       // r23
    pub s1: usize,       // r24
    pub s2: usize,       // r25
    pub s3: usize,       // r26
    pub s4: usize,       // r27
    pub s5: usize,       // r28
    pub s6: usize,       // r29
    pub s7: usize,       // r30
    pub s8: usize,       // r31
    pub fp: usize,       // r22 (s9/fp)
}

浮点状态

  • 32 个浮点寄存器 f0-f31（64位双精度）
  • 8 个条件标志寄存器 FCC0-FCC7
  • FCSR0：浮点控制状态寄存器
  • 保存策略建议：初期全量保存，后续可优化为 lazy save（利用 CSR.EUEN.FPE 控制浮点使能）

用户态返回

  • 通过 ERTN 指令返回（从 CSR.ERA 取 PC，从 CSR.PRMD 恢复特权级）
  • 进入用户态前设置：CSR.PRMD.PPLV = 3（用户态），CSR.PRMD.PIE = 1（开中断）

完成标准

  1. 内核线程 switch 正确（switch_to 汇编能在两个内核栈间切换）
  2. 能 fork 进程并在父子进程间切换不崩溃
  3. 能从内核态正确返回用户态（ERTN）
  4. FP 状态在进程切换时不丢失
  5. signal handler 能正确设置用户态上下文

父任务：#1

Edited by 孙浩宇