Xv6内核分析(二)

gewenbin

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2020年12月20日15:13:20 评论 546

启动Xv6

1. Xv6入口代码

内核的入口代码在entry.S中，Xv6的内核是支持用grub引导的，grub引导的知识见此博客：https://blog.csdn.net/xiaolanmyself/article/details/16944175。

1.1 entry.S

entry.S一开始就定义了用于grub引导的头部：

由Kernel.ld可以得知，内核的链接地址在0x80100000，系统的入口由_start标号地址指定，这个值会最终保存在elf文件中的entry字段中：

再来看看entry.S：

其中entry地址就是ld脚本中定义的0x80100000，但是在刚进入内核时，分页部件还没有启用，这时物理地址和虚拟地址相同，所以_start的值不能为0x80100000这么高内存的地址，需要转换为实际的物理加载地址，这个转换也很简单就是拿当前的虚拟地址减去0x80000000就是实际的物理地址了。在链接脚本中由ENTRY()指定的地址就是最终elf文件中的elf->entry值。

xv6的物理地址和虚拟地址映射关系如下：

1.2 使能分页功能

设置页目录地址，开启分页功能：

其中CR4寄存器的位域解释：

PSE位为0表示每页是4KB,为1表示每页是4MB。CR3寄存器的描述如下：

由于entrypgdir表示的是虚拟地址，所以需要转换成物理地址后才能写入CR3寄存器中。最后打开CR0中的PG和WP位，使能分页机制。

以上工作可以总结如下：

设置页大小粒度
设置页目录基址
使能分页功能

1.3 页目录内容

entrypgdir在main.c文件结尾处定义：

页目录的物理地址必须是4KB对齐的。在内核初始化的时候，使用的页表是4MB大小的，这也是为什么将CR4寄存器中的PSE位设置为1的原因，目的的通知硬件可以使用4MB的页。

从图中可以看出，这个启动用的页表中只有两个条目。第一个条目将虚拟地址的0~4MB空间映射到物理地址的0~4MB上，也就是将内存低4MB空间进行平板映射；第二个条目是页目录中第512个位置，将内核起始虚拟地址的4MB空间也映射到低4MB的物理内存上。也就是低4MB空间的物理地址被映射到了2块虚拟地址中。

页目录和页表的具体条目解释如上图所示。将PS位置1表示一页是4MB大小。

1.4 内核映射关系

内核启动时的内存映射关系如下：

1.5 设置内核栈

回到entry.S，接着是设置内核栈地址，内核栈大小是4KB,栈顶是内核当前虚拟地址加上4KB，在代码中用.comm指定了一段内存空间作为栈空间：

comm用法如下：

内核栈设置好后，用间接跳转指令jmp跳转到main函数执行。之所以要用间接跳转指令是因为这时代码还在虚拟低地址处执行，但是内核编译时是按0x81000000高地址编译的，所以这里执行的指令必须都要是位置无关指令。在执行完jmp指令后，eip的值就是main的虚拟地址，内核也就真正的在高虚拟地址上运行了。

2. main函数

mian函数如下：

可以看出，都是一些初始化函数，这里我们先关心多核部分是如何启动的，也就是mpinit这个函数。

2.1 intel多处理器规范

intel的多处理规范：https://en.wikipedia.org/wiki/MultiProcessor_Specification。

其中有这么一句话：由于大多数较新的机器都支持包含MPS功能的高级配置和电源接口（ACPI），因此MPS在很大程度上已被ACPI取代。MPS仍可用于计算机或不支持ACPI的操作系统。

MP配置表的知识可以参考这个博客：https://blog.csdn.net/stupid_haiou/article/details/46430749。

多处理器的配置信息表如下：

2.2 MP Floating Pointer Structure

要想获取x86多处理器的信息，就必须首先找到MP Floating Pointer Structure这个结构体所在的位置，根据手册规范，这个结构体位置可以在如下位置寻找：

在mp.c中mpsearch函数的功能就是在这三个位置寻找MP Floating Pointer Structure，我们来看看：

首先，bios的数据区的物理地址是0x400开始，大小是256字节，如下：

mpsearch首先将0x400物理地址转换为虚拟地址，然后才能访问bios data。首先查找的是EBDA区域，通过真相还原可以看出，EBDA的物理地址在0x9fc00开始的地方。但是在mpsearch函数中并没有直接在0x9fc00地址处搜索，而是通过BDA区域先找到EBDA的地址，然后从这个地址处搜索：

bda的0xe和0xf偏移处的定义如下：

可知，这两个地方定义的就是EBDA所在的物理地址，注意，这里的单位表示的是16字节，所以在代码中拼出来的地址左移了4位。如果在EBDA不存在，那么就会到系统base mem内存的最后1KB区域内寻找：

bda的0x13和0x14偏移处的定义如下：

这个表示系统base mem的大小???，单位是1KB。如果在这个区域也没找到，那么只能在最后的0F0000h到0FFFFFh区间寻找了，如下：

2.3 mpsearch1函数

寻找MP Floating Pointer Structure的原理也很简单，判断条件只有两个：

开始的四个字节为字符_MP_。
整个结构的字节加起来结果为0(规范要求)。

MP头定义如下：

sum函数很简单，就是将n个字节值相加，返回结果：

2.4 mpconfig函数

首先通过mpsearch函数找到有效的MP Floating Pointer Structure。
然后通过其中记录的physaddr找到MP配置表头所在的位置，然后转换成虚拟地址来访问。
对MP表头进行检查，从头部标识、版本、校验和三方面来检查。
检查通过的话，返回MP表头位置和MP Floating Pointer Structure的位置。

MP配置表头的内容描述如下：

2.5 MP配置表

MP配置表中工有5种类型的配置项：

看看mpinit函数：

找到MP配置表头后，将其中的lapicaddr记录下来，然后遍历配置表的每一个表项：

可以看出，xv6中只处理Processor和I/O APIC Entries这两种类型的配置项。如果是Processor类型，就将配置表中的apicid记录在全局的cpus数组对应的cpu信息中，同时将检测到的cpu个数加一，然后跳过这个Processor配置表，继续解析下一个配置表。当有n个cpu时，就会有n个Processor类型的配置表。xv6中默认最多支持8个cpu。

Processor类型的具体描述如下：