xv6启动过程

entry,S -> start.c -> main.c -> proc.c中的 userinit 函数 -> initcode.S -> init.c

entry.S

// entry.S# qemu -kernel loads the kernel at 0x80000000# and causes each CPU to jump there.# kernel.ld causes the following code to# be placed at 0x80000000.
.section .text
.global _entry
_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, stack0li a0, 1024*4csrr a1, mhartidaddi a1, a1, 1mul a0, a0, a1add sp, sp, a0# jump to start() in start.ccall start
spin:j spin

entry.S 用于在 QEMU 模拟器上启动 xv6 操作系统。它定义了启动过程中的入口点和初始化堆栈的过程。以下是对这段代码的逐行解释：

1. .section .text：指定以下代码应该放置在文本段（.text）中，这是用于存储程序代码的标准段。

2. .global _entry：声明 _entry 是一个全局符号，这意味着它可以被外部引用，例如链接器或其他汇编文件。

3. _entry:：定义了一个标签 _entry，这是当前代码段的入口点。

   1. la sp, stack0：使用 la 指令加载 stack0 的地址到 sp 寄存器。stack0 是在 start.c 中声明的一个数组，为每个 CPU 核心提供了一个 4096 字节大小的堆栈。
   2. li a0, 1024*4：将立即数 1024*4（即 4096）加载到 a0 寄存器。这个值是每个 CPU 核心堆栈的大小。
   3. csrr a1, mhartid：使用 csrr 指令读取 mhartid 寄存器的值到 a1 寄存器。mhartid 寄存器包含当前硬件线程（hart）的 ID。
   4. addi a1, a1, 1：将 a1 寄存器的值加 1。这是因为 mhartid 寄存器的值从 0 开始，而 stack0 数组的索引从 1 开始。
   5. mul a0, a0, a1：将 a0 寄存器（堆栈大小）与 a1 寄存器（hart ID 索引）相乘，计算出当前 hart 的堆栈在 stack0 数组中的偏移量。
   6. add sp, sp, a0：将计算出的偏移量加到 sp 寄存器（当前 hart 的堆栈顶部）上，设置正确的堆栈指针。
   7. call start：跳转到 start 函数。start 函数是 start.c 中定义的，它初始化操作系统并进入调度器的主循环。

4. spin:：定义了一个标签 spin。

   1. j spin：无限跳转到 spin 标签，形成 spinlock（自旋锁）。如果 start 函数返回，控制权会回到这里，但由于 start 函数不应该返回，这个自旋锁实际上会阻止 CPU 执行任何其他代码。

这段代码确保每个 CPU 核心都有一个独立的堆栈（sp = stack0 + (hartid + 1) * 4KB），并且它们都跳转到 start 函数开始执行。这是操作系统启动过程的一部分，它在物理硬件或模拟器上启动操作系统之前设置必要的环境。

为什么必须首先设置栈指针？

1. 时间顺序上的必要性：_entry 是内核的第一条指令，紧接着需要调用 start 函数。如果栈指针未设置，call 指令会尝试将返回地址压栈，但由于 sp 无效，可能会写入非法地址，导致崩溃。
2. 硬件约束：RISC-V 的启动规范不保证 sp 的初始值，QEMU 也不会自动初始化栈指针。因此，操作系统必须显式设置。
3. 后续依赖：start.c 中的代码会进一步调用其他函数（如 timerinit），这些函数依赖栈来存储局部变量和调用上下文。如果没有栈，整个初始化过程无法继续。

start.c

start 函数负责初始化 CPU 的特权模式、内存管理和中断处理，并最终跳转到用户空间的 main 函数执行。

1. 设置 M 模式的返回特权级别：
   通过读取和修改 mstatus 寄存器，将 Previous Privilege (PP) 模式设置为 Supervisor (S) 模式。当后续执行 mret 时，CPU 将从 M 模式切换到 S 模式。
2. 设置 M Exception Program Counter：
   将 mepc 寄存器设置为 main 函数的地址。这意味着当 CPU 从中断或异常返回时，它将跳转到 main 函数继续执行。
3. 禁用分页机制：
   通过将 satp 寄存器设置为 0，暂时禁用分页机制。此时内核还未初始化页表（这在 main() 中的 kvminit() 完成），因此暂时禁用分页。这是在操作系统完全启动并设置好内存管理单元 (MMU) 之前的必要步骤。
4. 设置中断和异常代理到 S 模式：
   通过写入 medeleg 和 mideleg 寄存器，将所有中断和异常代理给 Supervisor 模式处理。同时，通过设置 sie 寄存器启用 Supervisor 模式的中断和异常。
5. 配置物理内存保护：
   通过设置 pmpaddr 和 pmpcfg 寄存器，配置物理内存保护，允许 Supervisor 模式访问所有物理内存地址。
6. 初始化时钟中断：
   调用 timerinit 函数，初始化时钟中断，使 CPU 能够在需要时请求中断。
7. 保存硬件线程 ID：
   将当前硬件线程 (hart) 的 ID 保存到 tp 寄存器中，以便后续可以通过 cpuid 函数获取。
8. 切换到 Supervisor 模式并跳转到 main 函数：
   通过执行 mret 指令，切换到 Supervisor 模式，并跳转到 main 函数开始执行。这标志着操作系统启动流程的完成，控制权转移到用户空间的入口点。

这段代码是操作系统启动过程中的关键部分，它确保了 CPU 正确配置并准备好执行用户空间的程序。通过这些初始化步骤，操作系统能够管理内存、处理中断和异常，并提供一个安全的环境来运行用户程序。

// entry.S jumps here in machine mode on stack0.
void
start()
{// set M Previous Privilege mode to Supervisor, for mret.// 这些行设置了 RISC-V 机器状态寄存器（mstatus）的 Previous Privilege (PP) 模式为 Supervisor（S）模式。// 这是为了确保在执行 mret 指令（从中断或异常返回）时，CPU 能够返回到 Supervisor 模式。unsigned long x = r_mstatus();x &= ~MSTATUS_MPP_MASK;x |= MSTATUS_MPP_S;w_mstatus(x);// set M Exception Program Counter to main, for mret.// requires gcc -mcmodel=medany// 这里将RISC-V机器异常程序计数器（mepc）设置为main()函数的地址。// 这是中断或异常处理完成后，CPU应该返回执行的地址。w_mepc((uint64)main);// disable paging for now.// 这行代码禁用了分页机制，将 RISC-V 机器的页表根地址寄存器（satp）设置为 0。w_satp(0);// delegate all interrupts and exceptions to supervisor mode.// 这些行设置了中断和异常的代理（delegation），允许Supervisor模式处理所有的中断和异常。w_medeleg(0xffff);w_mideleg(0xffff);w_sie(r_sie() | SIE_SEIE | SIE_STIE | SIE_SSIE);// configure Physical Memory Protection to give supervisor mode// access to all of physical memory.// 这里配置了物理内存保护（PMP），允许Supervisor模式访问所有物理内存。w_pmpaddr0(0x3fffffffffffffull);w_pmpcfg0(0xf);// ask for clock interrupts.// 这行代码初始化了时钟中断，以便 CPU 可以在需要时请求中断。timerinit();// keep each CPU's hartid in its tp register, for cpuid().// 这里将当前硬件线程（hart）的ID保存到RISC-V的线程指针（tp）寄存器中，// 以便后续可以通过cpuid()函数获取int id = r_mhartid();w_tp(id);// switch to supervisor mode and jump to main().// 这行代码通过执行 mret 指令（从中断或异常返回）来切换到 Supervisor 模式，并跳转到 main() 函数开始执行。asm volatile("mret");
}

main.c

void
main()
{// 核0执行的代码if(cpuid() == 0){consoleinit();printfinit();printf("\n");printf("xv6 kernel is booting\n");printf("\n");kinit();      // physical page allocator 初始化物理页分配器，这是操作系统管理内存的关键部分。kvminit();    // create kernel page table    初始化内核页表，这是虚拟内存管理的基础。kvminithart();   // turn on paging              在当前 hart 上启用分页机制。procinit();      // process table   初始化进程表，这是操作系统管理进程的关键数据结构。trapinit();  // trap vectors    初始化中断和异常处理向量，这是操作系统响应硬件事件的关键部分。trapinithart();  // install kernel trap vector    在当前 hart 上安装内核陷阱向量。plicinit();     // set up interrupt controller 初始化 PLIC（可编程中断控制器），这是处理设备中断的关键组件。plicinithart();  // ask PLIC for device interrupts在当前 hart 上启用 PLIC。binit();      // buffer cache  初始化缓冲区缓存，这是文件系统的一部分，用于提高磁盘 I/O 性能。iinit();         // inode table   初始化 inode 表，这是文件系统管理文件和目录的关键数据结构。fileinit();      // file table    初始化文件表，这也是文件系统的一部分。virtio_disk_init(); // emulated hard disk 初始化虚拟 I/O 磁盘，这是模拟的硬盘设备，用于提供文件系统存储。userinit();      // first user process    初始化用户进程，这是创建第一个用户级进程的步骤。__sync_synchronize();started = 1;    // 确保所有初始化操作都完成后，设置 started 标志为 1，表示系统已经启动。} else {  // 其他核执行while(started == 0);__sync_synchronize();printf("hart %d starting\n", cpuid());kvminithart();    // turn on pagingtrapinithart();   // install kernel trap vectorplicinithart();   // ask PLIC for device interrupts}scheduler();  // 最后，调用 scheduler() 函数启动操作系统的调度器，这是操作系统多任务处理的核心部分。一旦调度器启动，它将负责在多个进程之间进行上下文切换，确保系统高效运行。
}

main() 的初始化顺序遵循“从底层到高层”、“从基础到应用”的原则。每个步骤都为后续步骤铺路，避免未定义行为。

初始化顺序的逻辑

1. 基础设施优先：
   • 控制台和打印（consoleinit、printfinit）→ 调试支持。
   • 内存管理（kinit、kvminit、kvminithart）→ 分配和寻址基础。
2. 核心功能：
   • 进程（procinit）和陷阱（trapinit、trapinithart）→ 运行和管理任务。
   • 中断（plicinit、plicinithart）→ 处理外部事件。
3. 文件系统和设备：
   • 缓冲区（binit）、inode（iinit）、文件表（fileinit）、磁盘（virtio_disk_init）→ 支持用户态文件操作。
4. 用户态准备：
   • userinit() → 启动用户进程。

必须先初始化什么？

• kinit() 必须在任何需要内存分配的步骤之前（如 kvminit、procinit）。
• kvminit() 和 kvminithart() 必须在访问虚拟地址的步骤之前（如陷阱处理、设备驱动）。
• trapinit() 和 trapinithart() 必须在可能触发中断的步骤之前（如 plicinit、virtio_disk_init）。
• 文件系统组件（binit、iinit、fileinit）必须按顺序初始化，因为它们有层次依赖。
• userinit() 必须最后，因为它依赖所有前置组件。

userinit

// Set up first user process.
void
userinit(void)
{struct proc *p;p = allocproc();initproc = p;// allocate one user page and copy init's instructions// and data into it.// 初始化新进程的页表，并为它分配一页用户内存。// initcode 是一个包含启动代码的数组，它的大小是一页（PGSIZE）。这页内存将包含init进程的代码和数据。uvminit(p->pagetable, initcode, sizeof(initcode));p->sz = PGSIZE;// prepare for the very first "return" from kernel to user.// 设置新进程的初始用户程序计数器（EPC）和用户栈指针（SP）。EPC 设置为 0，这通常是用户程序入口点的地址。// SP 设置为一页的大小，这是用户栈的起始地址。p->trapframe->epc = 0;      // user program counterp->trapframe->sp = PGSIZE;  // user stack pointer// 使用 safestrcpy 函数复制字符串 "initcode" 到新进程的名字字段。这个字段用于调试和识别进程。safestrcpy(p->name, "initcode", sizeof(p->name));// 获取根目录的 inode 并将其赋给新进程的当前工作目录（cwd）p->cwd = namei("/");p->state = RUNNABLE;release(&p->lock);
}

在 allocproc() 中会通过 p->context.ra = (uint64)forkret; 设置 ra 寄存器，ra 寄存器会存储新创建的进程进行第一个 switch 调用会返回的位置，即 forkret 函数。

// A fork child's very first scheduling by scheduler()
// will swtch to forkret.
void
forkret(void)
{static int first = 1;// Still holding p->lock from scheduler.release(&myproc()->lock);if (first) {// File system initialization must be run in the context of a// regular process (e.g., because it calls sleep), and thus cannot// be run from main().first = 0;fsinit(ROOTDEV);}// 这是重点！！！从内核空间 -> 用户空间usertrapret();
}

执行完 userinit 后，main 函数运行 scheduler 进行第一次调度，调度现在仅有的 RUNNABLE 状态的进程 init。

initcode.S

# Initial process that execs /init.
# This code runs in user space.#include "syscall.h"# exec(init, argv)
.globl start
start:la a0, initla a1, argvli a7, SYS_exececall# for(;;) exit();
exit:li a7, SYS_exitecalljal exit# char init[] = "/init\0";
init:.string "/init\0"# char *argv[] = { init, 0 };
.p2align 2
argv:.long init.long 0

start 部分调用 SYS_exec 系统调用执行 init 函数。

// init.c
// init: The initial user-level program#include "kernel/types.h"
#include "kernel/stat.h"
#include "kernel/spinlock.h"
#include "kernel/sleeplock.h"
#include "kernel/fs.h"
#include "kernel/file.h"
#include "user/user.h"
#include "kernel/fcntl.h"char *argv[] = { "sh", 0 };int
main(void)
{int pid, wpid;if(open("console", O_RDWR) < 0){mknod("console", CONSOLE, 0);open("console", O_RDWR);}dup(0);  // stdoutdup(0);  // stderrfor(;;){printf("init: starting sh\n");pid = fork();if(pid < 0){printf("init: fork failed\n");exit(1);}if(pid == 0){exec("sh", argv);printf("init: exec sh failed\n");exit(1);}for(;;){// this call to wait() returns if the shell exits,// or if a parentless process exits.wpid = wait((int *) 0);if(wpid == pid){// the shell exited; restart it.break;} else if(wpid < 0){printf("init: wait returned an error\n");exit(1);} else {// it was a parentless process; do nothing.}}}
}

init 进程是系统启动后的第一个进程，它的主要任务是启动 shell（通常是一个命令行解释器），并且如果 shell 进程退出，则不断地重启它。这样可以确保系统始终有一个可用的 shell 来接受用户命令。

通过这种机制，init 进程确保了系统中始终有一个可用的 shell，即使用户退出了当前的 shell 会话。这种设计使得 xv6 操作系统具有更好的健壮性和可用性。