此时此刻
xv6

lab1: xv6 & unix utilities

配置

环境：ubuntu20.04

跟着xv6-riscv-fall19做的：https://github.com/mit-pdos/xv6-riscv-fall19

Lab: Xv6 and Unix utilities：https://pdos.csail.mit.edu/6.828/2019/labs/util.html

安装依赖：

sudo apt-get update && sudo apt-get upgrade
sudo apt-get install git build-essential gdb-multiarch qemu-system-misc gcc-riscv64-linux-gnu binutils-riscv64-linux-gnu

clone代码：

git clone git@github.com:mit-pdos/xv6-riscv-fall19.git
# 然后检查一下分支
git branch -a
# 发现对应所有的几个实验，都有一个分支。
# 要做哪个实验，直接check进入，完成之后，`make grade`评分
# 如果哪个 test point没过，会有对应的xxx.out日志文件打印相关信息方便debug。

测试环境：

make qemu
qemu-system-riscv64 --version
# 在一个xv6目录下
make qemu-gdb

# 打开新的终端，同样目录下
gdb
# 发现有错 Undefined item: "riscv:rv64".
# 然后发现需要risc-gdb没有弄好，需要riscv的gdb，或者可以用8.3.1以上的gdb。

启动

首先在kernel.ld这个链接脚本中设置了起始的地址为0x80000000，这个地址也是qemu中首先跳转执行的地址。对应到源码中是kernel/entry.S，可以看到entry.S代码给每个硬件线程设置好sp寄存器，然后跳转到start。

_entry:
	# set up a stack for C.
        # stack0 is declared in start.c,
        # with a 4096-byte stack per CPU.
        # sp = stack0 + (hartid * 4096)
        la sp, stack0
        li a0, 1024*4
		csrr a1, mhartid    # mhartid：硬件线程id
        addi a1, a1, 1
        mul a0, a0, a1
        add sp, sp, a0
	# jump to start() in start.c
        call start
  • 其中la指令是伪指令（load address），stack0在start.c中定义，为每个cpu准备一个栈，每个栈大小写096
  • li（load immediate），设置寄存器a0为4096
  • csrr(Control System Register)控制系统寄存器，读取数据到寄存器a1

上面的步骤设置为start函数设置了相应的sp寄存器。然后进入kernel/start.c的start()函数中。

在start函数中，进行各种设置，设置异常程序计数器指针为main函数，即异常处理程序。在start函数中，设置计时器开始，

Util

实现用户进程sleep
  • 先看xv-book的第一章
  • 参考其他的例子：user/echo.c，user/grep.c 等怎么从命令行接受参数
  • 如果用户使用sleep命令没有给出参数，打印出错误信息
  • 命令行参数是string类型，使用user/ulib.c中的函数atoi转换
  • 使用sleep系统调用
  • 在kernel/sysproc.c中查看sleep系统调用的实现，在user/.h中查看用户空间的sleep调用，在user/usys.S中查看从用户程序跳入内核的汇编程序。
  • 最后确保sleep函数调用了exit()来退出程序。
  • 在Makefile中的UPROGS中添加自己是先的sleep函数，然后编译，就可以在shell运行sleep。

额外的函数：实现uptime用户程序，打印系统启动uptime的ticks数。

解析：

  • 在kernel/start.c中的start函数中，调用了timerinit()，其中注释提到时钟中断间隔为1000000个interval、大概是1/10秒。暂停用户定义的ticks，即sleep参数和用户输入一致。
实现用户进程pingpong

利用管道实现一个ping-pong程序，父进程写入parent_id[1]一个字节，子进程从parent_id[0]读取这个字节，子进程读完之后，把数据写入child_id[1]，然后父进程再从child_id[0]读出来。

  • 使用pipe创建管道
  • 使用fork创建子进程
  • 使用read、write读写数据
  • 使用getpid得到进程号

这个比较简单，还用不到覆盖标准输入输出等；重定向

解析：pipe系统调用怎么实现的

实现用户进程primes

关于管道、重定向

  • 写一个并发版本的素数过滤器，
  • 使用fork以及pipe建立流水线、第一个进程把数字2-35打入pipe，从左到右输出每一个在其中的素数。
  • 参考这个：https://swtch.com/~rsc/thread/，这个图的说明已经非常清楚了。

image-20220419210709326

实现用户进程find
  • 先看user/ls.c，明确怎么读目录
  • 递归的遍历子目录
  • 不用遍历.和..
  • 对文件系统的更改是持久化的，需要make clean、然后重新make qemu
  • 要用到C语言的strings
实现用户进程xargs
  • 从标准输入读入多行，然后依次执行
  • 对于每行输入，使用fork以及exec系统调用。在父进程中使用wait等待子进程结束
  • 每次从标准输入读一个字符，知道读到换行符\n
  • 参考kernel/param.h，中的MAXARG
  • 对文件系统的更新是持久化的，通过make clean，重新编译make qemu

这儿遇到一个问题，在有argv的情况下，怎么读stdin？

最后发现是我太蠢了，运行程序./xargs arg1 arg2 ...[\n回车]，程序运行了， 然后接下来的输入才对应的是从标准输入中独到的内容。

>./xargs grep hello
./a/b
./c/b
./b

# 这个命令中"grep hello"是命令行的参数，在输完hello，回车之后程序运行。接下来从./a/b开始的才是标准输入读的内容。
# 如果用一个数组接收标准输入的数据，应该是“./a/b[space]./c/b[space]./b[\n]”

最后遇到一个问题，给argv直接追加项，导致没追加签的argv的最后一项的值变了，最后把srgv以及标准输入读的参数复制到另一个数组解决。

文件系统相关概念

在find程序中，参考了ls。find的格式是find <path> <file>，即在路径下找到匹配的文件。那么首先即使要打开path这个文件，所有的路径对应于一个文件。

在文件系统的实现中，文件和目录其实没啥区别，区别仅在于目录文件中放的是目录信息。而文件里面放的是自定义的数据。

因此在实现中，先判断path的类型。

  • 如果是文件，判断是否和文件名相同，相同则输出。

  • 如果是目录，就从次文件中读一个目录项，直到读完。针对每个读出来的目录项，递归的判断是文件还是目录，然后做相同的处理。

    struct dirent {
  ushort inum;
  char name[DIRSIZ];
};

在ls程序中，打印出了路径下的所有“文件”，包括文件，目录， 设备（在kernel/stat.h，1表示目录，2表示文件，3表示设备）。“文件”的stat结构体相当于“文件”的元数据，定义在kernel/stat.h

struct stat {
  int dev;     // File system's disk device
  uint ino;    // Inode number
  short type;  // Type of file
  short nlink; // Number of links to file
  uint64 size; // Size of file in bytes
};

其中dev表示的是disk device，表示哪一个磁盘，ino表示在这个磁盘上的inode号码，type表示哪种“文件”，有文件、目录、设备三种；nlink表示链接数量；size表示文件的大小。

通过在xv6中运行ls程序：

image-20220423144333114

得到的结果表示所有的文件都在同一个磁盘设备，第二列表示文件类型，第三列表示inode号，根据第四列文件大小可以计算inode号。可以看到在这个文件系统中，一个inode负责1kb大小的磁盘空间。

TODO：关于生成文件系统这部分的代码在mkfs，随后在看。

关于怎么把kernel和fs.img链接起来，应该在kernel.ld 链接文件中或者makefile中，这个随后看。

syscall

在xv6的系统调用中，调用顺序是这样的：

user_program --> user_lib(ulib.c) --> user_trap(usys.S) --> syscall -> sys_xxx
# user_lib主要是对系统调用的一个wrap，也可以不调用user_lib，直接调用usys.S中的函数。
  1. 首先在user目录下的是用户程序，如ls、cat等。
  2. 上面这些代码可能会使用到系统调用，用户的库的头文件是user/user.h，声明了系统调用的接口。
  3. 库文件的实现在user/usys.S汇编代码真正trap进入内核
    1. riscv的系统功能的汇编指令：ecall，携带参数进入内核。其中系统调用号放在寄存器a7
  4. 由内核中的kernel/syscall.c中的syscall函数作为系统调用的相应函数，根据不同的中断号执行不同的系统调用sys_xxx函数。

C语言内嵌汇编

参考：https://blog.csdn.net/yt_42370304/article/details/84982864

asm volatile("xxx")
  • asm：表示后面的是汇编代码
  • volatile：表示编译器不需要优化代码，后面的指令保持原样

内嵌汇编语法：__asm__(汇编模板语句：输出部分：输入部分：破坏描述部分)

%0,%1….代表参数，位置互相对应。

static inline uint64
r_mstatus()
{
  uint64 x;
  asm volatile("csrr %0, mstatus" : "=r" (x) );
  return x;
}
// "=r"的意思是：变量放入通用寄存器，并且是只写的
// 对应的汇编：csrr [寄存器], mstatus；寄存器值与x变量绑定，x作为输出参数

static inline void 
w_mstatus(uint64 x)
{
  asm volatile("csrw mstatus, %0" : : "r" (x));
}
// "r"的意思是：变量放入通用寄存器
// 对应的汇编：csrr mstatus, [寄存器]；寄存器值与x变量绑定，x作为输入参数

源码安装gdb8.3.1

PREFIX=$(pwd)/gdb-8.3.1-riscv64-linux-gnu
wget ftp://ftp.gnu.org/gnu/gdb/gdb-8.3.1.tar.xz
tar Jxf gdb-8.3.1.tar.xz
mkdir gdb
cd gdb
../gdb-8.3.1/configure --program-prefix=riscv64-linux-gnu- --enable-tui --target=riscv64-linux-gnu --prefix=${PREFIX}
make all install

参考资料

  • 3.9 XV6 启动过程
  • RISC-V Assembly Programmer’s Manual
  • Misunderstanding RISC-V ecalls and syscalls
  • CSR（Control and Status Register Instructions）：读写寄存器
  • AUIPC（Add Upper Immediate to Program Counter）：这个指令把PC寄存器的高20位设置为操作数的和，低12位为0
  • 在kernel/syscall.c中syscalls，系统调用数组声明为啥是这样的？https://stackoverflow.com/questions/17807103/array-assignment-by-index-while-declaration-in-c-language；这样声明可以乱序初始化。emm