目錄

• 說明
• 1.xv6的啟動
• • 1.1.kernel/entry.S
  • 1.2.kernel/start.c
  • 1.3.kernel/main.c
  • 1.4.kernel/proc.c
• 2.進程
• • 2.1.進程管理
  • 2.2 進程狀態(tài)
• 參考資料

說明

• 閱讀的代碼是 xv6-riscv 版本的
  涉及到的文件如下

• kernel
  entry.S、start.c、main.c、kalloc.c、vm.c、proc.c、swtch.S、proc.h、printf.c、trap.c
• user
  initcode.S

1.xv6的啟動

• 這一部分講述xv6 在啟動過程中的配置以及 xv6 中第一個 shell 進程的創(chuàng)建過程

1.1.kernel/entry.S

• 當(dāng) xv6 的系統(tǒng)啟動的時候，首先會啟動一個引導(dǎo)加載程序（存在 ROM 里面），之后裝載內(nèi)核程序進內(nèi)存
  注意由于只有一個內(nèi)核棧，內(nèi)核棧部分的地址空間可以是固定，因此 xv6 啟動的時候并沒有開啟硬件支持的 paging 策略，也就是說，對于內(nèi)核棧而言，它的物理地址和虛擬地址是一樣的

• 在機器模式下，CPU是從_entry開始執(zhí)行的

# kernel/entry.S _entry:# 設(shè)置一個內(nèi)核棧# stack0 在 start.c 中聲明, 每個內(nèi)核棧的大小為 4096 byte# 以下的代碼表示將 sp 指向某個 CPU 對應(yīng)的內(nèi)核棧的起始地址# 也就是說, 進行如下設(shè)置: sp = stack0 + (hartid + 1) * 4096la sp, stack0 # sp = stack0li a0, 1024*4 # a0 = 4096csrr a1, mhartid # 從寄存器 mhartid 中讀取出當(dāng)前對應(yīng)的 CPU 號# a1 = hartidaddi a1, a1, 1 # 地址空間向下增長, 因此將起始地址設(shè)置為最大mul a0, a0, a1 # a0 = 4096 * (hartid + 1)add sp, sp, a0 # sp = stack0 + (hartid + 1) * 4096# 跳轉(zhuǎn)到 kernel/start.c 執(zhí)行內(nèi)核代碼call start

1.2.kernel/start.c

• 函數(shù)start執(zhí)行一些僅在機器模式下允許的配置，然后切換到管理模式。RISC-V提供指令mret以進入管理模式，該指令最常用于將管理模式切換到機器模式的調(diào)用中返回。而start并非從這樣的調(diào)用返回，而是執(zhí)行以下操作：它在寄存器mstatus中將先前的運行模式改為管理模式，它通過將main函數(shù)的地址寫入寄存器mepc將返回地址設(shè)為main，它通過向頁表寄存器satp寫入0來在管理模式下禁用虛擬地址轉(zhuǎn)換，并將所有的中斷和異常委托給管理模式。

• strart()函數(shù)的調(diào)用
  • 函數(shù)start執(zhí)行一些僅在機器模式下允許的配置，然后切換到管理模式。
    • 它在寄存器mstatus中將先前的運行模式改為管理模式
    • 它通過將main函數(shù)的地址寫入寄存器mepc將返回地址設(shè)為main
    • 它通過向頁表寄存器satp寫入0來在管理模式下禁用虛擬地址轉(zhuǎn)換，并將所有的中斷和異常委托給管理模式。
    • 對時鐘芯片進行編程以產(chǎn)生計時器中斷。
  • start通過調(diào)用mret“返回”到管理模式。

void start() {// set M Previous Privilege mode to Supervisor, for mret.unsigned long x = r_mstatus();x &= ~MSTATUS_MPP_MASK;x |= MSTATUS_MPP_S;w_mstatus(x);// set M Exception Program Counter to main, for mret.// requires gcc -mcmodel=medanyw_mepc((uint64)main);// disable paging for now.w_satp(0);// delegate all interrupts and exceptions to supervisor mode.w_medeleg(0xffff);w_mideleg(0xffff);w_sie(r_sie() | SIE_SEIE | SIE_STIE | SIE_SSIE);// ask for clock interrupts.timerinit();// keep each CPU's hartid in its tp register, for cpuid().int id = r_mhartid();w_tp(id);// switch to supervisor mode and jump to main().asm volatile("mret"); }

1.3.kernel/main.c

• 主要工作就是初始化一些配置

void main() {if(cpuid() == 0){consoleinit(); // 配置控制臺屬性(鎖, uart寄存器配置)printfinit(); // 配置 printf 屬性(鎖)printf("\n");printf("xv6 kernel is booting\n");printf("\n");kinit(); //物理頁分配器kvminit(); // 創(chuàng)建內(nèi)核頁表kvminithart(); // 開啟分頁機制procinit(); // 初始化進程表(最多支持 64 個進程)trapinit(); // 初始化中斷異常處理程序的一些配置(鎖)trapinithart(); // 設(shè)置內(nèi)核異常plicinit(); // 設(shè)置中斷控制器plicinithart(); // 請求PLIC設(shè)備中斷binit(); // 初始化高速緩沖存儲器iinit(); // 初始化inode緩存fileinit(); // 初始化文件表virtio_disk_init(); // emulated hard diskuserinit(); //創(chuàng)建第一個進程__sync_synchronize();started = 1;} else {while(started == 0);__sync_synchronize();printf("hart %d starting\n", cpuid());kvminithart(); // turn on pagingtrapinithart(); // install kernel trap vectorplicinithart(); // ask PLIC for device interrupts}scheduler(); }

1.4.kernel/proc.c

• 下面我們看一看userinit()函數(shù)具體干了些什么

// Set up first user process. void userinit(void) {struct proc *p;p = allocproc();initproc = p;// allocate one user page and copy init's instructions// and data into it.uvminit(p->pagetable, initcode, sizeof(initcode));p->sz = PGSIZE;// prepare for the very first "return" from kernel to user.p->trapframe->epc = 0; // user program counterp->trapframe->sp = PGSIZE; // user stack pointersafestrcpy(p->name, "initcode", sizeof(p->name));p->cwd = namei("/");p->state = RUNNABLE;release(&p->lock); }

調(diào)用邏輯

• 調(diào)用allocproc()函數(shù)來獲取一個空閑進程，及狀態(tài)為 UNUSED 的進程
  • 在proc[NPROC]中尋找一個 狀態(tài)為 UNUSED 的進程
    • 找不到返回0
    • 找到了對該進程進行一些初始化配置，然后返回一個struct proc
      • 計算 pid
      • 調(diào)用 kalloc() 分配一個 trapframe 。
        • 從空閑鏈表中分配一塊空閑頁
      • 分配失敗則調(diào)用freeproc(p)釋放
      • 調(diào)用函數(shù)proc_pagetable(p)為用戶態(tài)分配一個頁表
      • 設(shè)置 context 寄存器 ra、sp（進程切換）
        • ra:用戶態(tài)執(zhí)行的上下文
        • sp:棧指針
  • 把初始化代碼(一段機器代碼)放入進程的頁表中(只是加載進去，并沒有執(zhí)行)
  • 準(zhǔn)備從內(nèi)核到用戶的第一次“返回”。
  • epc = 0 用戶程序計數(shù)器
  • sp = PGSIZE用戶棧指針
  • 設(shè)置進程名稱為 initcode，進程工作目錄為 /
  • 設(shè)置進程狀態(tài)為 RUNNABLE

• 最后返回 kernel/main.c 中執(zhí)行進程調(diào)度程序 scheduler(),然后經(jīng)調(diào)度后才開始執(zhí)行那一段機器代碼。

2.進程

2.1.進程管理

• proc結(jié)構(gòu)體

// kernel/proc.h struct proc {struct spinlock lock; // 當(dāng)前進程的鎖// 以下內(nèi)容如果需要修改的話, 必須持有當(dāng)前進程的鎖 lockenum procstate state; // 當(dāng)前進程所處的狀態(tài)void *chan; // 非 0 表示當(dāng)前進程處于 sleep 狀態(tài)(睡眠地址)int killed; // 非 0 則表示當(dāng)前進程被 killedint xstate; // 退出狀態(tài), 可以被父進程的 wait() 檢查int pid; // 進程 ID 號, pid// 如果需要修改父進程指針的話, 需要持有整個進程樹的鎖// kernel/proc.c: pid_lockstruct proc *parent; // 父進程指針// 這些變量對于一個進程來說是私有的, 修改的時候不需要加鎖uint64 kstack; // 內(nèi)核棧的虛擬地址uint64 sz; // 進程所占的內(nèi)存大小pagetable_t pagetable; // 用戶頁表struct trapframe *trapframe; // 當(dāng)進程在用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)之間切換時// 用于保存/恢復(fù)進程的狀態(tài)// 用于保存寄存器struct context context; // 切換進程所需要保存的進程狀態(tài)struct file *ofile[NOFILE]; // 打開文件列表struct inode *cwd; // 當(dāng)前工作目錄char name[16]; // 進程名稱 };

• 用于管理進程的變量和函數(shù)

// kernel/proc.c // 變量 int nextpid = 1; // 用于進程號的編碼 struct proc proc[NPROC]; // 最多支持 64 個進程 struct spinlock pid_lock; // 當(dāng)修改一些整個進程樹相關(guān)的內(nèi)容的時候, 需要加的鎖// 例如新建一個進程的時候, 需要從 nextpid 中生成一個新的 pid struct spinlock wait_lock; // 輔助于 wait() 使用// 函數(shù) // 創(chuàng)建一個新的進程并且初始化這個進程, 具體內(nèi)容在上面已經(jīng)提到過了 void allocproc(void){} // 釋放進程的內(nèi)容空間 static void freeproc(struct proc *p){}

2.2 進程狀態(tài)

在xv6中進程會有5中狀態(tài)
UNUSED
SLEEPING
RUNNABLE
RUNNING
ZOMBIE

enum procstate {// 當(dāng)前進程沒有被使用, 屬于空閑進程// (1) 系統(tǒng)啟動的時候, 所有的進程的狀態(tài)都被初始化 UNUSED// 當(dāng) shell 或者其他方式想要新建一個進程的時候, 會查詢是否存在狀態(tài)為 UNUSED 的進程// (2) 一個 ZOMBIE 進程被回收之后(wait()), 狀態(tài)會被修改為 UNUSEDUNUSED,// 處于睡眠狀態(tài)// 調(diào)用 sleep() 的時候會從 RUNNING 狀態(tài)進入 SLEEPINGSLEEPING,// 表示當(dāng)前繼承處于可以被調(diào)度運行的狀態(tài)// (1) wakeup() 可以將一個進程從 SLEEPING 轉(zhuǎn)向 RUNNABLE// (2) kill() 會將 SLEEPING 進程狀態(tài)修改為 RUNNABLE// (3) yield() 會讓出當(dāng)前進程的執(zhí)行權(quán), 讓 CPU 重新調(diào)度// 狀態(tài): RUNNING -> RUNNABLERUNNABLE,// (1) userinit() 會將 USED 狀態(tài)修改為 RUNNING// 這個調(diào)用僅在初始化第一個進程的時候出現(xiàn)// (2) 在調(diào)用 fork() 的時候, 剛剛被 allocproc() 申請的進程在經(jīng)過錯誤檢查之后,// USED 狀態(tài)會被修改為 RUNNABLE// (3) scheduler() 調(diào)度程序可以把 RUNNABLE 狀態(tài)的程序修改為 RUNNINGRUNNING,// 處于進程退出但是還沒有被回收的狀態(tài)(資源已經(jīng)被回收, 但是還沒有被父進程發(fā)現(xiàn))// (1) exit() 的調(diào)用會讓進程 從高 RUNNING 轉(zhuǎn)變?yōu)?ZOMBIEZOMBIE };

參考資料

• http://xv6.dgs.zone/tranlate_books/book-riscv-rev1/c1/s0.html
• xv6-riscv源碼

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的xv6源码阅读——xv6的启动,进程初识的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

如果覺得生活随笔網(wǎng)站內(nèi)容還不錯，歡迎將生活随笔推薦給好友。