MIT6.S081
  • 简介
  • Lec01 Introduction and Examples (Robert)
    • 1.1 课程内容简介
    • 1.2 操作系统结构
    • 1.3 Why Hard and Interesting
    • 1.4 课程结构和资源
    • 1.5 read, write, exit系统调用
    • 1.6 open系统调用
    • 1.7 Shell
    • 1.8 fork系统调用
    • 1.9 exec, wait系统调用
    • 1.10 I/O Redirect
  • Lec03 OS Organization and System Calls (Frans)
    • 3.1 上一节课回顾
    • 3.2 操作系统隔离性(isolation)
    • 3.3 操作系统防御性(Defensive)
    • 3.4 硬件对于强隔离的支持
    • 3.5 User/Kernel mode切换
    • 3.6 宏内核 vs 微内核 (Monolithic Kernel vs Micro Kernel)
    • 3.7 编译运行kernel
    • 3.8 QEMU
    • 3.9 XV6 启动过程
  • Lec04 Page tables (Frans)
    • 4.1 课程内容简介
    • 4.2 地址空间(Address Spaces)
    • 4.3 页表(Page Table)
    • 4.4 页表缓存(Translation Lookaside Buffer)
    • 4.5 Kernel Page Table
    • 4.6 kvminit 函数
    • 4.7 kvminithart 函数
    • 4.8 walk 函数
  • Lec05 Calling conventions and stack frames RISC-V (TA)
    • 5.1 C程序到汇编程序的转换
    • 5.2 RISC-V vs x86
    • 5.3 gdb和汇编代码执行
    • 5.4 RISC-V寄存器
    • 5.5 Stack
    • 5.6 Struct
  • Lec06 Isolation & system call entry/exit (Robert)
    • 6.1 Trap机制
    • 6.2 Trap代码执行流程
    • 6.3 ECALL指令之前的状态
    • 6.4 ECALL指令之后的状态
    • 6.5 uservec函数
    • 6.6 usertrap函数
    • 6.7 usertrapret函数
    • 6.8 userret函数
  • Lec08 Page faults (Frans)
    • 8.1 Page Fault Basics
    • 8.2 Lazy page allocation
    • 8.3 Zero Fill On Demand
    • 8.4 Copy On Write Fork
    • 8.5 Demand Paging
    • 8.6 Memory Mapped Files
  • Lec09 Interrupts (Frans)
    • 9.1 真实操作系统内存使用情况
    • 9.2 Interrupt硬件部分
    • 9.3 设备驱动概述
    • 9.4 在XV6中设置中断
    • 9.5 UART驱动的top部分
    • 9.6 UART驱动的bottom部分
    • 9.7 Interrupt相关的并发
    • 9.8 UART读取键盘输入
    • 9.9 Interrupt的演进
  • Lec10 Multiprocessors and locking (Frans)
    • 10.1 为什么要使用锁?
    • 10.2 锁如何避免race condition?
    • 10.3 什么时候使用锁?
    • 10.4 锁的特性和死锁
    • 10.5 锁与性能
    • 10.6 XV6中UART模块对于锁的使用
    • 10.7 自旋锁(Spin lock)的实现(一)
    • 10.8 自旋锁(Spin lock)的实现(二)
  • Lec11 Thread switching (Robert)
    • 11.1 线程(Thread)概述
    • 11.2 XV6线程调度
    • 11.3 XV6线程切换(一)
    • 11.4 XV6线程切换(二)
    • 11.5 XV6进程切换示例程序
    • 11.6 XV6线程切换 --- yield/sched函数
    • 11.7 XV6线程切换 --- switch函数
    • 11.8 XV6线程切换 --- scheduler函数
    • 11.9 XV6线程第一次调用switch函数
  • Lec13 Sleep & Wake up (Robert)
    • 13.1 线程切换过程中锁的限制
    • 13.2 Sleep&Wakeup 接口
    • 13.3 Lost wakeup
    • 13.4 如何避免Lost wakeup
    • 13.5 Pipe中的sleep和wakeup
    • 13.6 exit系统调用
    • 13.7 wait系统调用
    • 13.8 kill系统调用
  • Lec14 File systems (Frans)
    • 14.1 Why Interesting
    • 14.2 File system实现概述
    • 14.3 How file system uses disk
    • 14.4 inode
    • 14.5 File system工作示例
    • 14.6 XV6创建inode代码展示
    • 14.7 Sleep Lock
  • Lec15 Crash recovery (Frans)
    • 15.1 File system crash概述
    • 15.2 File system crash示例
    • 15.3 File system logging
    • 15.4 log_write函数
    • 15.5 end_op函数
    • 15.6 File system recovering
    • 15.7 Log写磁盘流程
    • 15.8 File system challenges
  • Lec16 File system performance and fast crash recovery (Robert)
    • 16.1 Why logging
    • 16.2 XV6 File system logging回顾
    • 16.3 ext3 file system log format
    • 16.4 ext3如何提升性能
    • 16.5 ext3文件系统调用格式
    • 16.6 ext3 transaction commit步骤
    • 16.7 ext3 file system恢复过程
    • 16.8 为什么新transaction需要等前一个transaction中系统调用执行完成
    • 16.9 总结
  • Lec17 Virtual memory for applications (Frans)
    • 17.1 应用程序使用虚拟内存所需要的特性
    • 17.2 支持应用程序使用虚拟内存的系统调用
    • 17.3 虚拟内存系统如何支持用户应用程序
    • 17.4 构建大的缓存表
    • 17.5 Baker's Real-Time Copying Garbage Collector
    • 17.6 使用虚拟内存特性的GC
    • 17.7 使用虚拟内存特性的GC代码展示
  • Lec18 OS organization (Robert)
    • 18.1 Monolithic kernel
    • 18.2 Micro kernel
    • 18.3 Why micro kernel?
    • 18.4 L4 micro kernel
    • 18.5 Improving IPC by Kernel Design
    • 18.6 Run Linux on top of L4 micro kernel
    • 18.7 L4 Linux性能分析
  • Lec19 Virtual Machines (Robert)
    • 19.1 Why Virtual Machine?
    • 19.2 Trap-and-Emulate --- Trap
    • 19.3 Trap-and-Emulate --- Emulate
    • 19.4 Trap-and-Emulate --- Page Table
    • 19.5 Trap-and-Emulate --- Devices
    • 19.6 硬件对虚拟机的支持
    • 19.7 Dune: Safe User-level Access to Privileged CPU Features
  • Lec20 Kernels and HLL (Frans)
    • 20.1 C语言实现操作系统的优劣势
    • 20.2 高级编程语言实现操作系统的优劣势
    • 20.3 高级编程语言选择 --- Golang
    • 20.4 Biscuit
    • 20.5 Heap exhaustion
    • 20.6 Heap exhaustion solution
    • 20.7 Evaluation: HLL benefits
    • 20.8 Evaluation: HLL performance cost(1)
    • 20.9 Evaluation: HLL performance cost(2)
    • 20.10 Should one use HLL for a new kernel?
  • Lec21 Networking (Robert)
    • 21.1计算机网络概述
    • 21.2 二层网络 --- Ethernet
    • 21.3 二/三层地址转换 --- ARP
    • 21.4 三层网络 --- Internet
    • 21.5 四层网络 --- UDP
    • 21.6 网络协议栈(Network Stack)
    • 21.7 Ring Buffer
    • 21.8 Receive Livelock
    • 21.9 如何解决Livelock
  • Lec22 Meltdown (Robert)
    • 22.1 Meltdown发生的背景
    • 22.2 Speculative execution(1)
    • 22.3 Speculative execution(2)
    • 22.4 CPU caches
    • 22.5 Flush and Reload
    • 22.6 Meltdown Attack
    • 22.7 Meltdown Fix
  • Lec23 RCU (Robert)
    • 23.1 使用锁带来的问题
    • 23.2 读写锁 (Read-Write Lock)
    • 23.3 RCU实现(1) - 基本实现
    • 23.4 RCU实现(2) - Memory barrier
    • 23.5 RCU实现(3) - 读写规则
    • 23.6 RCU用例代码
    • 23.7 RCU总结
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  1. Lec09 Interrupts (Frans)

9.4 在XV6中设置中断

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当XV6启动时,Shell会输出提示符“$ ”,如果我们在键盘上输入ls,最终可以看到“$ ls”。我们接下来通过研究Console是如何显示出“$ ls”,来看一下设备中断是如何工作的。

实际上“$ ”和“ls”还不太一样,“$ ”是Shell程序的输出,而“ls”是用户通过键盘输入之后再显示出来的。

对于“$ ”来说,实际上就是设备会将字符传输给UART的寄存器,UART之后会在发送完字符之后产生一个中断。在QEMU中,模拟的线路的另一端会有另一个UART芯片(模拟的),这个UART芯片连接到了虚拟的Console,它会进一步将“$ ”显示在console上。

另一方面,对于“ls”,这是用户输入的字符。键盘连接到了UART的输入线路,当你在键盘上按下一个按键,UART芯片会将按键字符通过串口线发送到另一端的UART芯片。另一端的UART芯片先将数据bit合并成一个Byte,之后再产生一个中断,并告诉处理器说这里有一个来自于键盘的字符。之后Interrupt handler会处理来自于UART的字符。我们接下来会深入通过这两部分来弄清楚这里是如何工作的。

RISC-V有许多与中断相关的寄存器:

  • SIE(Supervisor Interrupt Enable)寄存器。这个寄存器中有一个bit(E)专门针对例如UART的外部设备的中断;有一个bit(S)专门针对软件中断,软件中断可能由一个CPU核触发给另一个CPU核;还有一个bit(T)专门针对定时器中断。我们这节课只关注外部设备的中断。

  • SSTATUS(Supervisor Status)寄存器。这个寄存器中有一个bit来打开或者关闭中断。每一个CPU核都有独立的SIE和SSTATUS寄存器,除了通过SIE寄存器来单独控制特定的中断,还可以通过SSTATUS寄存器中的一个bit来控制所有的中断。

  • SIP(Supervisor Interrupt Pending)寄存器。当发生中断时,处理器可以通过查看这个寄存器知道当前是什么类型的中断。

  • SCAUSE寄存器,这个寄存器我们之前看过很多次。它会表明当前状态的原因是中断。

  • STVEC寄存器,它会保存当trap,page fault或者中断发生时,CPU运行的用户程序的程序计数器,这样才能在稍后恢复程序的运行。

我们今天不会讨论SCAUSE和STVEC寄存器,因为在中断处理流程中,它们基本上与之前(注,lec06)的工作方式是一样的。接下来我们看看XV6是如何对其他寄存器进行编程,使得CPU处于一个能接受中断的状态。

接下来看看代码,首先是位于start.c的start函数。

这里将所有的中断都设置在Supervisor mode,然后设置SIE寄存器来接收External,软件和定时器中断,之后初始化定时器。

接下来我们看一下main函数中是如何处理External中断。

我们第一个外设是console,这是我们print的输出位置。查看位于console.c的consoleinit函数。

这里首先初始化了锁,我们现在还不关心这个锁。然后调用了uartinit,uartinit函数位于uart.c文件。这个函数实际上就是配置好UART芯片使其可以被使用。

这里的流程是先关闭中断,之后设置波特率,设置字符长度为8bit,重置FIFO,最后再重新打开中断。

学生提问:什么是波特率?

Frans教授:这是串口线的传输速率。

以上就是uartinit函数,运行完这个函数之后,原则上UART就可以生成中断了。但是因为我们还没有对PLIC编程,所以中断不能被CPU感知。最终,在main函数中,需要调用plicinit函数。下图是plicinit函数。

PLIC与外设一样,也占用了一个I/O地址(0xC000_0000)。代码的第一行使能了UART的中断,这里实际上就是设置PLIC会接收哪些中断,进而将中断路由到CPU。类似的,代码的第二行设置PLIC接收来自IO磁盘的中断,我们这节课不会介绍这部分内容。

main函数中,plicinit之后就是plicinithart函数。plicinit是由0号CPU运行,之后,每个CPU的核都需要调用plicinithart函数表明对于哪些外设中断感兴趣。

所以在plicinithart函数中,每个CPU的核都表明自己对来自于UART和VIRTIO的中断感兴趣。因为我们忽略中断的优先级,所以我们将优先级设置为0。

到目前为止,我们有了生成中断的外部设备,我们有了PLIC可以传递中断到单个的CPU。但是CPU自己还没有设置好接收中断,因为我们还没有设置好SSTATUS寄存器。在main函数的最后,程序调用了scheduler函数,

scheduler函数主要是运行进程。但是在实际运行进程之前,会执行intr_on函数来使得CPU能接收中断。

intr_on函数只完成一件事情,就是设置SSTATUS寄存器,打开中断标志位。

在这个时间点,中断被完全打开了。如果PLIC正好有pending的中断,那么这个CPU核会收到中断。

以上就是中断的基本设置。

学生提问:哪些核在intr_on之后打开了中断?

Frans教授:任何一个调用了intr_on的CPU核,都会接收中断。实际上所有的CPU核都会运行intr_on函数。