Overview

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”

本次课回答的问题

  • Q: 如何理解 “操作系统就是 C 程序”？

本次课主要内容

  • xv6 简介
  • xv6 代码导读

xv6 简介

UNIX 传奇

一万行代码得到一个真正的、好用的操作系统

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!

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)

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

RTFM

RTFSC

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

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)

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

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)

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

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

总结

本次课回答的问题

  • Q: 如何理解 “操作系统就是 C 程序”？

Take-away messages

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

End.