2.xv6启动流程

xv6启动流程

xv6内核地址空间

image-20220921022817320

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

image-20240122015643431

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

  1. 发生异常（中断、故障等）。
  2. 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。
  3. 进入内核处理异常
  4. 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。

  1. 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。

  2. 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。

  3. 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：

  1. 从 mepc 寄存器中取出先前保存的返回地址，加载到 pc 中。
  2. 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

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

posted @ 2024-04-21 00:18  INnoVation-V2  阅读(325)  评论(0)    收藏  举报