NJUOS-18-Xv6代码导读

这几节课实践内容巨多，建议好好看视频，这里总结的不多昂，很多很多技巧呢！！！

建议看视频！！！ -> 讲的使用技巧比较杂，技巧有点多，原视频讲的多得多！！！

复习

• 应用视角的操作系统：对象 + API
  • 把操作系统当提供服务的 “黑盒子”

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本次课回答的问题

• Q: 如何理解 “操作系统就是 C 程序”？

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本次课主要内容

• xv6 简介
• xv6 代码导读

xv6 简介

一个山寨的操作系统，但是是一个实际的操作系统昂！！！

UNIX 传奇

一万行代码得到一个真正的、好用的操作系统

• The UNIX time sharing system (SOSP’73 and CACM’74)
• 免费授权给高校使用，它实在太适合教学了！
  • UNIX v6 book（太经典啦！！！）

xv6: UNIX v6 的现代 “克隆”

接近完整的 UNIX Shell 体验

• 基本工具集 (wc, echo, cat, …)
• 命令执行、管道、重定向
  • 支持多处理器
  • Now in RISC-V!

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它真的是一个 “可用” 的操作系统！

• 时间回到 1970s
• 这些系统调用就足够支撑刚才提到的应用
  • cc, as, ld, vi, sed, awk, troff, lp, …

xv6 系统调用 API

21 个系统调用 (参考 sh-xv6.c 使用的系统调用)

最常用的系统调用昂！！！

xv6 系统实现

这是一份包含了很多 Good Practice 的代码

• 对初学者来说更像是一个 “艺术品”
• 从代码里吸取智慧

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RTFM

• xv6: A simple, Unix-like teaching operating system
• 宝藏手册！！！包含了所有细节和 “为什么要这么做”，推荐阅读

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RTFSC

• xv6-riscv
• 会分几次课讲解

建议看视频！！！ -> 讲的有点杂，技巧有点多，原视频讲的多得多。

项目构建与运行

RTFSC: Makefile

• 相比 AbstractMachine (跨平台/体系结构) 容易很多
• 先找到构建目标
  • 然后老规矩: make -nB
  • 你可以根据需要修改一些配置
    • 优化等级、CPU 数、编译指令等

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复习：“程序的执行 (状态变化序列) 有时比代码 (状态机) 更容易理解”

• 可以用于配制 vscode
  • Quick quiz: 如何自动生成 compile_commands.json

xv6 中的进程

xv6 进程的地址空间

回顾：进程 = 运行的状态机 (user/)

• gcc/ld 创建：代码、数据
  • 参考 ldscript
• 运行时分配：堆栈
  • 包含 exec 的参数
• 例子：init.c 和 sh.c (sh-xv6.c 的真身)

init.c: The initial user-level program -> 第一个用户态的进程

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• 整体结构：

MAXVA 处有两个神奇的页面

• Trampoline 和 trapframe
  • 由操作系统分配，用户进程无权访问

调试用户代码

试一试 init 进程

• proc.c中包含一段 initcode
  • 我们可以调试它！(b *0)
  • 系统调用实现：编号放入 a7 寄存器，执行 ecall 指令
    • man 2 syscall
• 然后再调试_init
  • add-symbol-file user/_init 加载调试信息

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使用 QEMU

• 查看地址空间 info mem
• 对照手册，查看寄存器，例如p/x $stvec
  • 可以打上断点 (b *$stvec)

xv6 系统调用

xv6 系统调用

RISC-V user-level ecall 指令

• 关闭中断
• 复制 $pc 到 $sepc
• 设置 $sstatus 为 S-mode
• 设置 $scause 为 trap 的原因 (ecall, 8)
• 跳转到 $stvec ($pc = $stvec)

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在 xv6 中

• Trampoline: $stvec = 0x3ffffff000 (只读)
• Trapframe (0x3fffffe000): 保存进程寄存器现场的内存

Trampoline (跳板)

trampoline.S (汇编代码)

• 对 ecall 瞬间的状态做快照
  • 填充 struct trapframe (proc.h)
  • 利用 $sscratch (S-mode scratch) 保存所有寄存器
  • 切换到内核栈 (相当于切换到进程对应的 “内核线程”, L2)
  • 切换到内核地址空间
    • 修改 $satp (S-mode address translation and protection)
    • sfence.vma
  • 跳转到 tf->kernel_trap
    • 痛苦时间解除，进入 C 代码

总结：保存用户栈（数据和指令还有寄存器）状态，切换到内核栈 -> 对应的就是内核线程。VSCode调试的话，可以很明显看到。用户态的状态机，被封存在了Trampoline和Trapframe中，然后跳转到内核的状态机，执行kernel的c代码昂！！！

系统调用处理

struct proc *p = myproc()

• 我们可以在 gdb 中查看 “进程” 在操作系统内的数据结构表示
  • p/x *p
    • 可以看到 trapframe 的地址 (和地址空间中映射的完全一样)
    • p/x *p->trapframe (a7 = 0x7)
• 检查scause == 8(syscall)
  • $epc += 4 (更正返回地址)
  • 打开中断
  • 执行系统调用
• usertrapret()返回
  • ecall 的逆操作

总结

本次课回答的问题

• Q: 如何理解 “操作系统就是 C 程序”？

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Take-away messages

• Talk is cheap. Show me the code.
• RTFM, RTFSC
• 用好现代工具
  • gdb tui + python, vscode, …

References

1. 宝藏手册！！！包含了所有细节和 “为什么要这么做”，推荐阅读: xv6: A simple, Unix-like teaching operating system
2. UNIX v6 book（太经典啦！！！）
3. xv6-riscv
4. Vedio-link: https://www.bilibili.com/video/BV1DY4y1a7YD/?spm_id_from=333.999.0.0&vd_source=ff957cd8fbaeb55d52afc75fbcc87dfd
5. vscode调试XV6: https://zhuanlan.zhihu.com/p/501901665