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MIT6.S081
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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。
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。
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。
如果我们查看kernel的汇编文件,
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,
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
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。
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:
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。
除了console之外,还有许多代码来做初始化。
  • 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。
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。
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。
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,
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。
我们可以查看syscall的代码,
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。
如果我们查看syscall.h,可以看到7对应的是exec系统调用。
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。
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,
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,
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。
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。
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~