2.xv6启动流程

xv6启动流程

xv6内核地址空间

1 Riscv开机

riscv在启动时，pc被默认设置为0X1000，之后经过以下几条指令，跳转到0x80000000

在第一个shell，打开xv6 gdb模式make qemu-gdb
打开第二个shell，进行调试riscv64-unknown-elf-gdb

可以看到启动时，qemu就在0X1000地址

The target architecture is set to "riscv:rv64".
warning: No executable has been specified and target does not support
determining executable automatically.  Try using the "file" command.
0x0000000000001000 in ?? ()

使用layout asm查看汇编源码

0x1000  auipc   t0,0x0
0x1004  addi    a2,t0,40
0x1008  csrr    a0,mhartid
0x100c  ld      a1,32(t0) 
0x1010  ld      t0,24(t0)
0x1014  jr      t0

执行到0x1014时，使用info reg，可以看到t0此时的值等于0x80000000
从而跳转到0x80000000

2. xv6编译

同时，xv6在编译时，会把引导程序放在0x80000000位置，从而成功进入系统

查看xv6中的kernel/kernel.ld，可以看到. = 0x80000000;，这一行会将初始程序放置到0x80000000地址
使用make qemu编译xv6

使用riscv64-unknown-elf-objdump -d kernel/kernel反编译内核文件，可以看到

kernel:     file format elf64-littleriscv
Disassembly of section .text:
0000000080000000 <_entry>:
    80000000:	0001a117          	auipc	sp,0x1a
    80000004:	c7010113          	add	  sp,sp,-912 # 80019c70 <stack0>
    80000008:	6505                lui	  a0,0x1
    8000000a:	f14025f3          	csrr  a1,mhartid
    8000000e:	0585                add	  a1,a1,1
    80000010:	02b50533          	mul	  a0,a0,a1
    80000014:	912a                add	  sp,sp,a0
    80000016:	6d0050ef          	jal	  800056e6 <start>

_entry函数被放置在了0X80000000位置

2. `kernel/entry.S`

_entry:
	# 设置内核栈指针
	la sp, stack0	# sp<-stack0
	li a0, 1024*4	# a0<-4096
	csrr a1, mhartid	# a1<-mhartid
	addi a1, a1, 1	# a1<-a1+1
	mul a0, a0, a1	# a0<-a0*a1
	add sp, sp, a0	# sp<-sp+a0
	call start      # 最后跳转到kernel/start.c/start函数

la sp, stack0

stack0定义在kernel/start.cz中，xv6最多支持8个cpu，每个cpu的栈大小为4KB

	// maximum number of CPUs
#define NCPU          8 
	// entry.S needs one stack per CPU.
__attribute__ ((aligned (16))) char stack0[4096 * NCPU];

csrr a1, mhartid：
- csrr：CSR read
  
  CSR：Control and Status Register，即控制和状态寄存器
  
  CSRR就是读取控制和状态寄存器
- mhartid^[1]：Machine Hardware Thread ID，即硬件线程ID寄存器
- 所以这里就是获取硬件线程ID，并存储到a1中
- hart(hardware thread,硬件线程) ：在软件层面看来，硬件线程就是一个独立的处理器。但实际上，它可能并不是一个完整的核心。因为CPU有超线程技术，超线程将一个处理器单元复用给多个硬件线程，每个硬件线程有自己独立的一套通用寄存器等上下文资源

2.1 功能解析

_entry的作用是设置栈指针

sp = stack0[0]的地址
a0 = 4096
a1 = mhartid，mhartid从0开始
a1 = a1 + 1 = mhartid + 1
a0 = a0 * a1 = 4096 * (mhartid + 1)
sp = sp + a0 = stack0[0] + a0 = stack0[0] + 4096 * (mhartid + 1)

当mhartid = 0时，sp = stack0[0] + 4096，这是因为栈是从高地址往低地址增长的，所以第一个栈的起始地址是stack0[4096]，往stack0[0]增长

当mhartid = 1时，sp = stack0[0] + 4096 * 2，第二个栈的起始地址是stack0[8192]，往stack0[4096]增长

其他的以此类推，就完成了栈指针的设置

3. `kernel\start.c\start()`

void start() {
  // 将mstatus从机器模式设置为特权者模式
  unsigned long x = r_mstatus();
  x &= ~MSTATUS_MPP_MASK;
  x |= MSTATUS_MPP_S;
  w_mstatus(x);
  
  // 将main函数地址写入mepc
  w_mepc((uint64)main);

  // 将satp设置为0,关闭页表,即关闭虚拟地址转换功能
  w_satp(0);

  // 把所有中断和异常委托给S-mode
  w_medeleg(0xffff);
  w_mideleg(0xffff);
  // 打开中断
  w_sie(r_sie() | SIE_SEIE | SIE_STIE | SIE_SSIE);

  // configure Physical Memory Protection to give 
  // supervisor mode access to all of physical memory.
  w_pmpaddr0(0x3fffffffffffffull);
  w_pmpcfg0(0xf);

  // ask for clock interrupts.
  timerinit();

  // 将hart_id存储到tp寄存器中
  int id = r_mhartid();
  w_tp(id);

  // 切换到监督者模式，并跳转到main函数
  asm volatile("mret");
}

当前计算机处于M-Mode，即机器模式

3.1 mstatus

mstatus(Machine Status)：是一个控制和状态寄存器CSR，存储处理器当前状态。包含以下位字段

MPP (Machine Previous Privilege): 指示在发生异常或中断之前的特权级别，当使用mret返回时，处理器会切换回原来的级别，在第11 12位
- 00: User Mode
- 01: Supervisor Mode
- 11: Machine Mode
MPIE (Machine Previous Interrupt Enable): 记录在发生异常或中断之前，中断是否被启用。
MIE (Machine Interrupt Enable): 允许或禁止中断。当为1时，中断被启用。
MIE (Machine Interrupt Enable): 记录中断是否被启用。

unsigned long x = r_mstatus();
x &= ~MSTATUS_MPP_MASK;
x |= MSTATUS_MPP_S;
w_mstatus(x);

unsigned long x = r_mstatus()：读出mstatus的值
x &= ~MSTATUS_MPP_MASK：清除MPP的状态

比如x = 1010 1011，其中第2,3位表示MPP状态，那么MSTATUS_MPP_MASK = 0110 0000，~MSTATUS_MPP_MASK=1001 1111

x &= ~MSTATUS_MPP_MASK => 1010 1011&1001 1111=1000 1011
x |= MSTATUS_MPP_S：设置MPP为监督者模式

这里我们将mstatus设置为监督者模式，之后跳回时，会切换到监督者模式

3.2 mepc

Machine Exception Program Counter：存储从内核返回用户态时的地址，指令执行操作如下

发生异常（中断、故障等）。
处理器将当前的PC值（即异常发生前正在执行的指令地址）写入 mepc 寄存器。
进入内核处理异常
异常处理完毕后，返回到 mepc 保存的地址，继续执行。

w_mepc((uint64)main);

但是我们这里并不是从用户态返回，而是利用这一特性，在内核返回时，跳转到main函数

3.3 satp

Supervisor Address Translation and Protection Register：监督地址转换和保护寄存器，用于控制和配置页表的地址。它定义了当前页表的位置和格式，以及一些与地址翻译和保护相关的信息，这里就是关闭页表功能

3.4 medeleg & mideleg

medeleg：Machine Exception Delegation Register：用于指定被委托给更低特权级别的异常，当异常发生时，如果该异常被委托，处理器会将该异常转交给更低特权级别的异常处理程序进行处理。如果某个位被设置为 1，表示被委托。

mideleg：Machine Interrupt Delegation Register：和委托异常类似，用于委托中断

3.5 sie

sie：Supervisor Interrupt Enable ：用于控制哪些中断可以在 Supervisor 模式下被启用或禁用。

SEIE (Supervisor External Interrupt Enable):

外部中断。当 SEIE 位被设置为 1 时，允许外部中断在 Supervisor 模式下触发。
STIE (Supervisor Timer Interrupt Enable):

定时器中断。当 STIE 位被设置为 1 时，允许定时器中断在 Supervisor 模式下触发。
SSIE (Supervisor Soft Interrupt Enable):

软中断。当 SSIE 位被设置为 1 时，允许软中断在 Supervisor 模式下触发。

3.5 pmpaddr0 & pmpcfg0

和PMP有关，比较复杂

https://zhuanlan.zhihu.com/p/139695407

https://www.rvmcu.com/site/nuclei_n_isa/#8-n

3.6 timerinit

解析在下方

3.7 mhartid & tp

mhartid：之前讲过，就是硬件线程编号

tp：Thread Pointer，用于保存线程本地数据的指针，没有规定存什么，这里用来存线程编号

3.8 mret

只能在机器模式下执行，用于返回到调用之前的上下文环境，指令执行的操作如下：

从 mepc 寄存器中取出先前保存的返回地址，加载到 pc 中。
切换回mstatus中存储的之前的机器特权状态。

这个指令在异常处理或中断服务结束时使用，将处理器从机器模式切换回先前的模式，例如用户模式。这里我们是从机器模式切到监督者模式

4.`kernel\start.ct\timerinit()`

设置时钟中断

void timerinit()
{
  // 获取CPU ID
  int id = r_mhartid();

  // ask the CLINT for a timer interrupt.
  int interval = 1000000; // cycles; about 1/10th second in qemu.
  *(uint64*)CLINT_MTIMECMP(id) = *(uint64*)CLINT_MTIME + interval;

  // prepare information in scratch[] for timervec.
  // scratch[0..2] : space for timervec to save registers.
  // scratch[3] : address of CLINT MTIMECMP register.
  // scratch[4] : desired interval (in cycles) between timer interrupts.
  uint64 *scratch = &timer_scratch[id][0];
  scratch[3] = CLINT_MTIMECMP(id);
  scratch[4] = interval;
  w_mscratch((uint64)scratch);

  // set the machine-mode trap handler.
  w_mtvec((uint64)timervec);

  // enable machine-mode interrupts.
  w_mstatus(r_mstatus() | MSTATUS_MIE);

  // enable machine-mode timer interrupts.
  w_mie(r_mie() | MIE_MTIE);
}

5. `Kernel\main.c\main()`

void main() {
  if(cpuid() == 0){
    // 对各个功能进行初始化
    consoleinit();
    printfinit();
    printf("\n");
    printf("xv6 kernel is booting\n");
    printf("\n");
    kinit();         // physical page allocator
    kvminit();       // create kernel page table
    kvminithart();   // turn on paging
    procinit();      // process table
    trapinit();      // trap vectors
    trapinithart();  // install kernel trap vector
    plicinit();      // set up interrupt controller
    plicinithart();  // ask PLIC for device interrupts
    binit();         // buffer cache
    iinit();         // inode table
    fileinit();      // file table
    virtio_disk_init(); // emulated hard disk
    userinit();      // first user process
    __sync_synchronize();
    started = 1;
  } else {
    while(started == 0)
      ;
    __sync_synchronize();
    printf("hart %d starting\n", cpuid());
    kvminithart();    // turn on paging
    trapinithart();   // install kernel trap vector
    plicinithart();   // ask PLIC for device interrupts
  }

  scheduler();        
}

Reference

https://zhuanlan.zhihu.com/p/440183052 ↩︎

posted @ 2024-04-21 00:18 INnoVation-V2 阅读(13) 评论(0) 编辑收藏举报

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