xv6

环境配置gdb

xv6启动第一个进程

1. entry.S
   • 从 _entry 开始运行xv6，此时虚拟地址直接映射到物理地址
   • kernel.ld 将 xv6内核加载到 0x80000000，0x0~0x80000000 包含IO设备
   • 设置栈(用于运行c代码)，stack0在start.c文件中声明
   • 执行 start.c 中的 start()
2. start.c
   • 修改运行模式为 Machine 模式
   • 设置main函数的地址
   • 禁止虚拟地址转换
   • 将所有的中断和异常委托给管理模式
   • 内存保护
   • 产生计时器中断
   • 通过 mret 回到 Supervisor 模式
3. main.c
   • 初始化设备、子系统
   • userinit 执行 initcode.S
   • scheduler() 会调度到第一次个proc，即init
4. init.c
   • 创建 console
   • 打开文件描述符
   • 启动shell

页表

术语

• PTE: Page Table Entry
• PPN: Physical Page Nuber
• TLB: Translation Look-aside Buffer

页表用途

1. 映射相同的内存到不同的地址空间
2. 用未映射的页面保护内核和用户栈

分页

内核将所有物理内存映射到其页表，因此可以直接对物理内存操作

虚拟地址转化步骤

1. offset 12位：一个页表是4096字节，可以用12位二进制数字表示
2. index 27位：每个PTE是8字节，一个页表可以储存512个PTE(9位)，index是三级页表(L1、L2、L3各9位)
3. PPN 44位：Sv39 RISC-V 仅用到44位物理页码
   
   

内核使用

1. satp寄存器: 存放根页表页在内存中的地址
2. 每个 CPU 有独立的 satp寄存器，因此不同CPU的虚拟地址空间不同，但是使用同一个内核地址空间
3. 切换进程就需要修改satp寄存器 ?

常见标记位

• PTE_V: PTE是否存在，0表示不合法
• PTE_R: 是否可读
• PTE_W: 是否可写
• PTE_X: 是否可执行
• PTE_U: 用户能否访问，0表示仅内核可访问

内核地址空间

1. 物理地址 0x8000000 以下: 保留了设备接口，作为内存映射控制寄存器暴露给软件，通过这些特殊的物理地址与设备交互
2. 内核的虚拟地址和物理地址一致，可以通过虚拟地址直接操作物理内存

   内核虚拟地址中非直接映射部分：
   trampoline page: 虚拟地址最后一页
   guard page: 进程的内核栈会有 guard page，防止栈溢出。不会映射到物理地址空间，PTE_V 不设置。

3. 内核会给每个进程分配一个内核栈

   内核栈是在系统启动的时候就创建好的吗？对应的内核一直没使用？

进程地址空间

1. 不同进程的页表将用户地址转换为物理内存的不同页面，因此进程的内存互相隔离
2. 进程的虚拟内存空间是连续的，对应的物理内存可以是非连续的
3. 将虚拟地址的最后一页映射到trampoline page，所有地址空间都有一个单独的物理内存页
4. 用户栈前一页是 guard page，防止栈溢出

trap 和 系统调用

cpu转交控制权: 系统调用、异常、设备中断，将其都称之为trap
trap处理：CPU的硬件操作、汇编指令集、trap处理程序、设备驱动服务例程
三种trap来源：用户空间trap、内核空间trap、定时器中断

1. trap触发，转交控制权到内核
2. 内核保存寄存器和其他状态
3. 执行handler代码
4. 内核恢复寄存器和状态，返回到原来的代码

trap机制

寄存器

仅内核态可以读取，每个CPU都有独立的寄存器

1. stvec: trap handler的地址
2. sepc: 保存程序计数器 pc，当trap恢复的时候，sret会将sepc赋值给pc
3. scause: trap来源的标志位
4. sscratch: trap handler使用
5. sstatus
   • SIE: 判断中断是否启用，通过清除SIE来禁用中断
   • SPP: 判断trap的来源，用户态 或 内核态

trap硬件操作

1. 如果 trap 是设备中断，且SIE被清空，不执行任何操作
2. 清除SIE禁用中断
3. 将 pc 复制到 sepc
4. 将当前模式 (用户态、内核态) 保存在sstatus的SPP中
5. 设置scause标志位
6. 转换为内核模式
7. 把stvec复制到pc
8. 跳转到 pc 指令，开始执行

用户态trap

1. uservec: 保存用户寄存器(进程TRAPFRAME)
2. usertrap: 确定trap的来源分发到不同的handler，
3. usertrapret: 保留stvec，用于下一次trap，设置寄存器
4. userret: 切换页表至原来的页表

内核态trap

1. kernelvec: 保存所有寄存器(内核栈)、kerneltrap、恢复寄存器
2. kerneltrap: 分发任务、恢复sepc和sstatus
   • 异常：panic
   • 计时器中断：yield

页面错误异常

用户态异常，内核终止故障进程；内核态异常，panic

页面错误

scause: 页面错误类型
stval：无法翻译的地址

1. 加载页面错误
2. 存储页面错误
3. 指令页面错误

COW fork

1. 父子进程共享物理页面，但只读。
2. 进程存储页面异常：内核复制错误地址的页面，生成可读写副本。此时返回故障指令，就会使用副本的pte

lazy allocation

1. 用户态 sbrk 申请内存，此时申请的页表标记为无效。
2. 出现页面错误后，将页表映射到物理内存

磁盘分页

1. 内存换出，保存到磁盘中。
2. 页面故障，将磁盘中存储的页面，读取到内存中。
3. 内存页满之后，需要换出内存页表

中断和设备驱动

控制台输入

UART

1. 控制台驱动通过 UART串口，接收键入字符。QEMU模拟了UART硬件，连接到键盘和显示器
2. UART对于软件，可以看做内存映射的控制寄存器
3. consoleinit: 初始化UART硬件，对字节输入生成接收中断，对字节输出生成发送中断

定时器中断

1. 定时器中断来自每个CPU的时钟硬件
2. timerinit: 在一定延迟后生成中断、保存寄存器、使能定时器中断
3. timervec: 触发一次软件中断