# 3.9 XV6 启动过程 接下来，我会系统的介绍XV6，让你们对XV6的结构有个大概的了解。在后面的课程，我们会涉及到更多的细节。 首先，我会启动QEMU，并打开gdb。本质上来说QEMU内部有一个gdb server，当我们启动之后，QEMU会等待gdb客户端连接。 ![](https://1977542228-files.gitbook.io/~/files/v0/b/gitbook-legacy-files/o/assets%2F-MHZoT2b_bcLghjAOPsJ%2F-MJlp5nnqbQKpEdsEdt7%2F-MJlqR3qqukigoqwoSGg%2Fimage.png?alt=media\&token=8d691ec9-91a5-40b4-9be2-1e3bd9c694b0) 我会在我的计算机上再启动一个gdb客户端，这里是一个RISC-V 64位Linux的gdb，有些同学的电脑可能是multi-arch或者其他版本的的gdb，但是基本上来说，这里的gdb是为RISC-V 64位处理器编译的。 在连接上之后，我会在程序的入口处设置一个端点，因为我们知道这是QEMU会跳转到的第一个指令。 ![](https://1977542228-files.gitbook.io/~/files/v0/b/gitbook-legacy-files/o/assets%2F-MHZoT2b_bcLghjAOPsJ%2F-MJlp5nnqbQKpEdsEdt7%2F-MJls4laZcPl0Xuf6XVJ%2Fimage.png?alt=media\&token=67a12dee-4c16-43ad-b4f1-0b9dc06881b7) 设置完断点之后，我运行程序，可以发现代码并没有停在0x8000000（见3.7 kernel.asm中，0x80000000是程序的起始位置），而是停在了0x8000000a。 ![](https://1977542228-files.gitbook.io/~/files/v0/b/gitbook-legacy-files/o/assets%2F-MHZoT2b_bcLghjAOPsJ%2F-MJlp5nnqbQKpEdsEdt7%2F-MJlsbSgYVFkERqIERkM%2Fimage.png?alt=media\&token=a1a5cfd2-450f-4a48-bc32-3d16b09df6b8) 如果我们查看kernel的汇编文件， ![](https://1977542228-files.gitbook.io/~/files/v0/b/gitbook-legacy-files/o/assets%2F-MHZoT2b_bcLghjAOPsJ%2F-MJlp5nnqbQKpEdsEdt7%2F-MJlsqMcdt1J3vjsW88_%2Fimage.png?alt=media\&token=81b6d55b-b7ef-4092-9c47-b5a47b4f5368) 我们可以看到，在地址0x8000000a读取了控制系统寄存器（Control System Register）mhartid，并将结果加载到了a1寄存器。所以QEMU会模拟执行这条指令，之后执行下一条指令。 地址0x80000000是一个被QEMU认可的地址。也就是说如果你想使用QEMU，那么第一个指令地址必须是它。所以，我们会让内核加载器从那个位置开始加载内核。如果我们查看kernel.ld， ![](https://1977542228-files.gitbook.io/~/files/v0/b/gitbook-legacy-files/o/assets%2F-MHZoT2b_bcLghjAOPsJ%2F-MJlp5nnqbQKpEdsEdt7%2F-MJlum8m8tZjc6IfaDfw%2Fimage.png?alt=media\&token=0cbebbd4-d438-4107-812c-b48cad22cff3) 我们可以看到，这个文件定义了内核是如何被加载的，从这里也可以看到，内核使用的起始地址就是QEMU指定的0x80000000这个地址。这就是我们操作系统最初运行的步骤。 回到gdb，我们可以看到gdb也显示了指令的二进制编码 ![](https://1977542228-files.gitbook.io/~/files/v0/b/gitbook-legacy-files/o/assets%2F-MHZoT2b_bcLghjAOPsJ%2F-MJlp5nnqbQKpEdsEdt7%2F-MJlvpQK6UN3ZE0x6K10%2Fimage.png?alt=media\&token=35cf4387-181c-422b-8a05-80f13bd954dd) 可以看出，csrr是一个4字节的指令，而addi是一个2字节的指令。 我们这里可以看到，XV6从entry.s开始启动，这个时候没有内存分页，没有隔离性，并且运行在M-mode（machine mode）。XV6会尽可能快的跳转到kernel mode或者说是supervisor mode。我们在main函数设置一个断点，main函数已经运行在supervisor mode了。接下来我运行程序，代码会在断点，也就是main函数的第一条指令停住。 ![](https://1977542228-files.gitbook.io/~/files/v0/b/gitbook-legacy-files/o/assets%2F-MHZoT2b_bcLghjAOPsJ%2F-MJlxDELJZKUZ7wmW49T%2F-MJoBrC5i9D26QWYxztK%2Fimage.png?alt=media\&token=0adacfc6-2b45-4dbf-83d3-aa0239ac7d94) 上图中，左下是gdb的断点显示，右边是main函数的源码。接下来，我想运行在gdb的layout split模式： ![](https://1977542228-files.gitbook.io/~/files/v0/b/gitbook-legacy-files/o/assets%2F-MHZoT2b_bcLghjAOPsJ%2F-MJlxDELJZKUZ7wmW49T%2F-MJoCZsIhe8t7K-YbT-2%2Fimage.png?alt=media\&token=e6ffae56-9a69-403b-914b-622f1768625d) ![](https://1977542228-files.gitbook.io/~/files/v0/b/gitbook-legacy-files/o/assets%2F-MHZoT2b_bcLghjAOPsJ%2F-MJlxDELJZKUZ7wmW49T%2F-MJoCnirrECVo-lvg7dS%2Fimage.png?alt=media\&token=a20802f5-715b-41b5-a942-2d571ea78584) 从这个视图可以看出gdb要执行的下一条指令是什么，断点具体在什么位置。 这里我只在一个CPU上运行QEMU（见最初的make参数），这样会使得gdb调试更加简单。因为现在只指定了一个CPU核，QEMU只会仿真一个核，我可以单步执行程序（因为在单核或者单线程场景下，单个断点就可以停止整个程序的运行）。 通过在gdb中输入n，可以挑到下一条指令。这里调用了一个名为consoleinit的函数，它的工作与你想象的完全一样，也就是设置好console。一旦console设置好了，接下来可以向console打印输出（代码16、17行）。执行完16、17行之后，我们可以在QEMU看到相应的输出。 ![](https://1977542228-files.gitbook.io/~/files/v0/b/gitbook-legacy-files/o/assets%2F-MHZoT2b_bcLghjAOPsJ%2F-MJlxDELJZKUZ7wmW49T%2F-MJoEyhIx-LcbBXhSi_p%2Fimage.png?alt=media\&token=ad4b03fa-8bad-401f-8682-bbfdd57e8cbb) 除了console之外，还有许多代码来做初始化。 ![](https://1977542228-files.gitbook.io/~/files/v0/b/gitbook-legacy-files/o/assets%2F-MHZoT2b_bcLghjAOPsJ%2F-MJlxDELJZKUZ7wmW49T%2F-MJoIpUzQSmCleh6RUZF%2Fimage.png?alt=media\&token=ef7b53b5-aea4-41f6-8dc8-e62d7696aa9e) * kinit：设置好页表分配器（page allocator） * kvminit：设置好虚拟内存，这是下节课的内容 * kvminithart：打开页表，也是下节课的内容 * processinit：设置好初始进程或者说设置好进程表单 * trapinit/trapinithart：设置好user/kernel mode转换代码 * plicinit/plicinithart：设置好中断控制器PLIC（Platform Level Interrupt Controller），我们后面在介绍中断的时候会详细的介绍这部分，这是我们用来与磁盘和console交互方式 * binit：分配buffer cache * iinit：初始化inode缓存 * fileinit：初始化文件系统 * virtio\_disk\_init：初始化磁盘 * userinit：最后当所有的设置都完成了，操作系统也运行起来了，会通过userinit运行第一个进程，这里有点意思，接下来我们看一下userinit 在继续之前，这里有什么问题吗？ > 学生提问：这里的初始化函数的调用顺序重要吗？ > > Frans教授：重要，哈哈。一些函数必须在另一些函数之后运行，某几个函数的顺序可能不重要，但是对它们又需要在其他的一些函数之后运行。 可以通过gdb的s指令，跳到userinit内部。 ![](https://1977542228-files.gitbook.io/~/files/v0/b/gitbook-legacy-files/o/assets%2F-MHZoT2b_bcLghjAOPsJ%2F-MJlxDELJZKUZ7wmW49T%2F-MJoLEM84J5GQs0ERl8K%2Fimage.png?alt=media\&token=859a93b3-5e2a-4747-8f91-8e087eaaace4) 上图是userinit函数，右边是源码，左边是gdb视图。userinit有点像是胶水代码/Glue code（胶水代码不实现具体的功能，只是为了适配不同的部分而存在），它利用了XV6的特性，并启动了第一个进程。我们总是需要有一个用户进程在运行，这样才能实现与操作系统的交互，所以这里需要一个小程序来初始化第一个用户进程。这个小程序定义在initcode中。 ![](https://1977542228-files.gitbook.io/~/files/v0/b/gitbook-legacy-files/o/assets%2F-MHZoT2b_bcLghjAOPsJ%2F-MJlxDELJZKUZ7wmW49T%2F-MJoM_1o5pdIpLDMhOPF%2Fimage.png?alt=media\&token=e8cd60e8-58ea-4f43-9cc1-4ceba5c5da7c) 这里直接是程序的二进制形式，它会链接或者在内核中直接静态定义。实际上，这段代码对应了下面的汇编程序。 ![](https://1977542228-files.gitbook.io/~/files/v0/b/gitbook-legacy-files/o/assets%2F-MHZoT2b_bcLghjAOPsJ%2F-MJlxDELJZKUZ7wmW49T%2F-MJoMxZ6GgCX-d41bKUJ%2Fimage.png?alt=media\&token=4064b251-179c-405e-9ff6-0eeb129248ed) 这个汇编程序中，它首先将init中的地址加载到a0（la a0, init），argv中的地址加载到a1（la a1, argv），exec系统调用对应的数字加载到a7（li a7, SYS\_exec），最后调用ECALL。所以这里执行了3条指令，之后在第4条指令将控制权交给了操作系统。 如果我在syscall中设置一个断点， ![](https://1977542228-files.gitbook.io/~/files/v0/b/gitbook-legacy-files/o/assets%2F-MHZoT2b_bcLghjAOPsJ%2F-MJlxDELJZKUZ7wmW49T%2F-MJoOCq5dfumR1y4X1S0%2Fimage.png?alt=media\&token=090419af-cb12-48a4-ba1b-d0664e851503) 并让程序运行起来。userinit会创建初始进程，返回到用户空间，执行刚刚介绍的3条指令，再回到内核空间。这里是任何XV6用户会使用到的第一个系统调用。让我们来看一下会发生什么。通过在gdb中执行c，让程序运行起来，我们现在进入到了syscall函数。 ![](https://1977542228-files.gitbook.io/~/files/v0/b/gitbook-legacy-files/o/assets%2F-MHZoT2b_bcLghjAOPsJ%2F-MJlxDELJZKUZ7wmW49T%2F-MJoP-kYebjEA8ER-Gc6%2Fimage.png?alt=media\&token=852aefb9-a988-4141-ab65-4db6e3c97c59) 我们可以查看syscall的代码， ![](https://1977542228-files.gitbook.io/~/files/v0/b/gitbook-legacy-files/o/assets%2F-MHZoT2b_bcLghjAOPsJ%2F-MJlxDELJZKUZ7wmW49T%2F-MJoQlt5JMbIVG4cHGw1%2Fimage.png?alt=media\&token=c23196d7-8eeb-4b3d-a9be-d7cdb4cb636a) *num = p->trapframe->a7* 会读取使用的系统调用对应的整数。当代码执行完这一行之后，我们可以在gdb中打印num，可以看到是7。 ![](https://1977542228-files.gitbook.io/~/files/v0/b/gitbook-legacy-files/o/assets%2F-MHZoT2b_bcLghjAOPsJ%2F-MJlxDELJZKUZ7wmW49T%2F-MJoRWZ9T4-zts6PEHww%2Fimage.png?alt=media\&token=e78dbdf9-ad4c-4453-9361-4b322188c7d1) 如果我们查看syscall.h，可以看到7对应的是exec系统调用。 ![](https://1977542228-files.gitbook.io/~/files/v0/b/gitbook-legacy-files/o/assets%2F-MHZoT2b_bcLghjAOPsJ%2F-MJlxDELJZKUZ7wmW49T%2F-MJoRjS9TiHNsg8ERUIz%2Fimage.png?alt=media\&token=fb923ba7-f2cc-4531-baa4-6f10c19642e0) 所以，这里本质上是告诉内核，某个用户应用程序执行了ECALL指令，并且想要调用exec系统调用。 *p->trapframe->a0 = syscall\[num]\()* 这一行是实际执行系统调用。这里可以看出，num用来索引一个数组，这个数组是一个函数指针数组，可以预期的是syscall\[7]对应了exec的入口函数。我们跳到这个函数中去，可以看到，我们现在在sys\_exec函数中。 ![](https://1977542228-files.gitbook.io/~/files/v0/b/gitbook-legacy-files/o/assets%2F-MHZoT2b_bcLghjAOPsJ%2F-MJlxDELJZKUZ7wmW49T%2F-MJoTR9fhh86mX_a-Pmr%2Fimage.png?alt=media\&token=50d3ba16-ad8b-41a8-8499-d646937ab9c4) sys\_exec中的第一件事情是从用户空间读取参数，它会读取path，也就是要执行程序的文件名。这里首先会为参数分配空间，然后从用户空间将参数拷贝到内核空间。之后我们打印path， ![](https://1977542228-files.gitbook.io/~/files/v0/b/gitbook-legacy-files/o/assets%2F-MHZoT2b_bcLghjAOPsJ%2F-MJlxDELJZKUZ7wmW49T%2F-MJoU4TXUWYR4pKDZUHb%2Fimage.png?alt=media\&token=7da3cfcc-0b26-4e39-8b38-53c5685cca13) 可以看到传入的就是init程序。所以，综合来看，initcode完成了通过exec调用init程序。让我们来看看init程序， ![](https://1977542228-files.gitbook.io/~/files/v0/b/gitbook-legacy-files/o/assets%2F-MHZoT2b_bcLghjAOPsJ%2F-MJlxDELJZKUZ7wmW49T%2F-MJoUWGAs71Xkzmd_VMj%2Fimage.png?alt=media\&token=fb172843-5060-4770-8087-3062fafdeba3) init会为用户空间设置好一些东西，比如配置好console，调用fork，并在fork出的子进程中执行shell。 ![](https://1977542228-files.gitbook.io/~/files/v0/b/gitbook-legacy-files/o/assets%2F-MHZoT2b_bcLghjAOPsJ%2F-MJlxDELJZKUZ7wmW49T%2F-MJoUuazVQO0JY5JEpLc%2Fimage.png?alt=media\&token=7816fac5-f09f-4ae7-94da-765d8f599f45) 最终的效果就是Shell运行起来了。如果我再次运行代码，我还会陷入到syscall中的断点，并且同样也是调用exec系统调用，只是这次是通过exec运行Shell。当Shell运行起来之后，我们可以从QEMU看到Shell。 ![](https://1977542228-files.gitbook.io/~/files/v0/b/gitbook-legacy-files/o/assets%2F-MHZoT2b_bcLghjAOPsJ%2F-MJlxDELJZKUZ7wmW49T%2F-MJoVSJhTglzqYodbfOS%2Fimage.png?alt=media\&token=fbef4537-4aae-4a95-a721-b29fb02c413d) 这里简单的介绍了一下XV6是如何从0开始直到第一个Shell程序运行起来。并且我们也看了一下第一个系统调用是在什么时候发生的。我们并没有看系统调用背后的具体机制，这个在后面会介绍。但是目前来说，这些对于你们完成这周的syscall lab是足够了。这些就是你们在实验中会用到的部分。这里有什么问题吗？ > 学生提问：我们会处理网络吗，比如说网络相关的实验？ > > Frans教授：是的，最后一个lab中你们会实现一个网络驱动。你们会写代码与硬件交互，操纵连接在RISC-V主板上网卡的驱动，以及寄存器，再向以太网发送一些网络报文。 好的，最后让我总结一下。因为没有涉及到太多的细节，我认为syscall lab可能会比上一个utils lab简单些，但是下一个实验会更加的复杂。要想做好实验总是会比较难，别总是拖到最后才完成实验，这样有什么奇怪的问题我们还能帮帮你。好了就这样，我退了，下节课再见\~