2.1 Abstracting physical resources

2.2 User mode, supervisor mode, and system calls

2.3 Kernel Organization

monolithic kernel vs microkernel

xv6 和 Unix-like OS 属于 monolithic kernel.

2.4 Code: xv6 organization

kernel 接口都在 def.h 中声明.

2.5 Process overview

进程的地址空间:

RISC-V 64 只使用 64 位地址中的 39 位, 所以用户空间和内核空间各占 2^39 字节.

xv6 只使用 39 位地址中的 38 位, 所以最大地址为 2^38 - 1 = 0x3fffffffff, MAXVA 在 riscv.h 中定义.


每个进程都有两个栈, 一个是内核栈, 一个是用户栈.

2.6 Code: starting xv6, the first process and system call

bootloader 把 xv6 kernel code 加载到内存 0x80000000 地址, 首先执行的代码为entry.S 的 _entry函数. 为每个 CPU 设置堆栈指针 sp，然后跳进start.c的 start 函数。

	# qemu -kernel loads the kernel at 0x80000000
        # and causes each CPU to jump there.
        # kernel.ld causes the following code to
        # be placed at 0x80000000.
.section .text
.global _entry
_entry:
	# set up a stack for C.
        # stack0 is declared in start.c,
        # with a 4096-byte stack per CPU.
        # sp = stack0 + (hartid * 4096)
        la sp, stack0 # 先设置sp为stack0的起始地址
        li a0, 1024*4
	csrr a1, mhartid # CPUs 0~7 has hartid from 0~7, 获取当前CPU的hartid
        addi a1, a1, 1 # 这边要加1的原因是栈地址从高到低
        mul a0, a0, a1
        add sp, sp, a0
	# jump to start() in start.c
        call start
spin:
        j spin

stack0 在start.c中定义, __attribute__ ((aligned (16))) char stack0[4096 * NCPU];, 8 个 CPU, 共 4096*8 字节的大小.

根据上面的汇编代码, hardid=0 的话, sp 指针地址为 stack0 + 4096, 从高地址到低地址存放.


start.c 设置 mstatus 寄存器, 设置之前的 mode 为 supervisor mode, 这样最后调用mret, 可以从 machine mode 进入 supervisor mode, 并跳转至mepc中存入的 main 函数地址。

void start()
{
	unsigned long x = r_mstatus();
	x &= ~MSTATUS_MPP_MASK;
	x |= MSTATUS_MPP_S;
	w_mstatus(x);

	w_mepc((uint64)main);
	// ...
	asm volatile("mret");
}

main.c userinit()中创建第一个进程。

void main()
{
	// ...
	userinit();
}

userinit.c uvminit把uchar initcode[] 即user/initcode.S编译出来的initcode可执行程序加载进进程的页表中。

void userinit(void)
{
	struct proc *p;
	p = allocproc();

	uvminit(p->pagetable, initcode, sizeof(initcode));
}

接着initcode会执行系统调用exec执行/init用户程序。

initcode.S

# exec(init, argv)
.globl start
start:
        la a0, init
        la a1, argv
        li a7, SYS_exec
        ecall

最终在init.c中调用fork()在子进程中执行 shell 进程exec("sh", argv);,父进程则进入死循环。

4.3 Code: Calling system calls

initcode.S 把执行exec的参数存放在a0,a1寄存器中, 把 system call 编号存在a7寄存器中。随后ecall指令会 trap into kernel, 导致进入uservec和usertrap函数, 最后调用到sys_exec函数。

4.4 Code: System call arguments

User space 通过系统调用进入 kernel space, 参数保存在 current process 当前进程的 trap frame 中。
比如exit(0), 0 会被保存到a0寄存器，随后会被 kernel 保存到p->trapframe->a0。

argint, argaddr, argfd函数从当前进程的 trap frame 中读取传入的参数。


如果 user space 传入指针，会有两个问题。

  1. user space 可能传入 invalid address 或者是企图访问 kernel memory 的恶意指针。
  2. xv6 kernel page table 和 user space 的 page table mapping 不同，所以同一个虚拟地址对应的物理地址是不同的。

这时候需要用copyinstr函数。