inspired by ucore
此 OS 纯个人娱乐 & 笔记向, 内含大量学习过程做的注释和日志, 部分参数相较 ucore 原 repo 修改, 可能有失准确, 仅供参考.
进程数据结构
VFS 与 SFS
文件系统示意图
----------文件系统生成程序----------
参数: bin/sfs.img, disk0
----------bin/sfs.img (disk0) 成功.----------
控制台输出初始化完毕,获得输出调试信息能力
--------------历史过程--------------
CPU上电,BIOS 自检
BIOS 从 #0 sector 把 bootloader 加载到 0x7c00 并执行
bootloader:
A20地址线打开
探测物理内存分布
初始化 boot-time GDT
使能 32 bit 保护模式
设置 C 语言环境, 栈相关指针
bootmain 将 KERNEL 的 elf header 从第二块扇区加载到内存 64KB 处
解析 elf header 信息, 将 kernel 完全加载
控制权转移到 kernel entry
kernel entry:
设置内核环境的页表, 使能分页
设置内核栈基址和栈指针
控制权交给 kern_init
--------------内核设计规格--------------
text start : 0xc0100000 = 3072 M + 1024K
entry : 0xc0100036 = 3072 M + 1024K
etext : 0xc01167c6 = 3072 M + 1113K
edata : 0xc015d000 = 3072 M + 1396K
end(.bss 结束)) : 0xc0161324 = 3072 M + 1412K
内核文件预计占用最大内存 : 4MB
内核文件实际占用内存 : 389 KB
内核可管理物理内存大小上限 : 0x38000000 Byte = 896 MB
内核虚拟地址区间(B) : [0xc0000000 , 0xf8000000)
内核虚拟地址区间(M) : [3072 M, 3968 M)
内存分页大小 : 4096 B
--------------初始化开始:内存管理模块--------------
目标: 建立完整的虚拟内存机制.
已维护内核页表物理地址;当前页表只临时维护了 KERNBASE 起的 4M 映射,页表内容:
一级页表内容:
索引 二级页表物理基址 存在位 读写性 特权级
768 0x0015c000 1 rw u
物理内存管理器实例- default_pmm_manager 初始化完毕.
--------------初始化开始:内存分页记账--------------
目标: 根据探测得到的物理空间分布,初始化 pages 表格.
1. 确定 pages 基址. 通过 ends 向上取整得到, 位于 end 之上, 这意味着从此就已经突破了内核文件本身的内存空间,开始动态分配内存
2. 确定 page 数 npages,即 可管理内存的页数.
2.1 确定实际管理的物理内存大小maxpa.即向上取探测结果中的最大可用地址,但不得大于管理上限 KMEMSIZE. maxpa = min{maxpa, KMEMSIZE}.
2.2 npage = maxpa/PAGESIZE.
3. 确定可管理内存中每个空闲 page 的属性,便于日后的换入换出的调度; 加入到 freelist 中.
1) e820map信息报告:
共探测到6块内存区域:
区间[0]:[00000000, 0009fbff], 大小: 0x0009fc00 Byte, 类型: 1, 系可用内存.
调整已知物理空间最大值 maxpa 至 0x0009fc00 = 639 K = 0 M
区间[1]:[0009fc00, 0009ffff], 大小: 0x00000400 Byte, 类型: 2, 系不可用内存.
区间[2]:[000f0000, 000fffff], 大小: 0x00010000 Byte, 类型: 2, 系不可用内存.
区间[3]:[00100000, 07fdffff], 大小: 0x07ee0000 Byte, 类型: 1, 系可用内存.
调整已知物理空间最大值 maxpa 至 0x07fe0000 = 130944 K = 127 M
区间[4]:[07fe0000, 07ffffff], 大小: 0x00020000 Byte, 类型: 2, 系不可用内存.
区间[5]:[fffc0000, ffffffff], 大小: 0x00040000 Byte, 类型: 2, 系不可用内存.
2) 物理内存维护表格 pages 初始化:
实际管理物理内存大小 maxpa = 0x07fe0000 = 127M
需要管理的内存页数 npage = maxpa/PGSIZE = 32736
内核文件地址边界 end: 0xc0161324
表格起始地址 pages = ROUNDUP(end) = 0xc0162000 = 3073 M
pages 表格自身内核虚拟地址区间 [pages,pages*n): [0xc0162000, 0xc0281b80)B,已被设置为不可交换.
pages 表格结束于物�eemem :0x00281b80B ≈ 2M. 也是后序可用内存的起始地址.
考察管理区间, 将空闲区域标记为可用.
考察区间: [00000000,0009fc00): 此区间不可用, 原因: 边界非法.
考察区间: [0009fc00,000a0000): 此区间不可用, 原因: BIOS 认定非可用内存.
考察区间: [000f0000,00100000): 此区间不可用, 原因: BIOS 认定非可用内存.
考察区间: [00100000,07fe0000): 此区间可用, 大小为 0x07d5e000 B = 128376 KB = 125 MB = 32094 page.
default_init_memmap:
已将一块连续地址空间加入 freelist,起始: 0xc0167a48, page 数:32094.
当前空闲 page 数:32094
考察区间: [07fe0000,08000000): 此区间不可用, 原因: BIOS 认定非可用内存.
考察区间: [fffc0000,100000000): 此区间不可用, 原因: BIOS 认定非可用内存.
--------------初始化完毕: 内存分页记账--------------
default_check() : succeed!
check_alloc_page() : succeed!
check_pgdir() : succeed!
开始建立一级页表自映射: [VPT, VPT + 4MB) => [PADDR(boot_pgdir), PADDR(boot_pgdir) + 4MB).
自映射完毕.
一级页表内容:
索引 二级页表物理基址 存在位 读写性 特权级
1003 0x0015b000 1 rw u
768 0x0015c000 1 rw u
--------------开始: 内核区域映射--------------
映射区间[0xc0000000,0xc0000000 + 0x38000000 ) => [0x00000000, 0x00000000 + 0x38000000 )
区间长度 = 896 M
校准后映射区间: [0xc0000000, 0x00000000), 页数:229376
校准后映射区间: [0xc0000000,0xc0000000 + 0x38000000 ) => [0x00000000, 0x00000000 + 0x38000000 )
映射完毕, 直接按照可管理内存上限映射. 虚存对一级页表比例: [KERNBASE, KERNBASE + KMEMSIZE) <=> [768, 896) <=> [3/4, 7/8)
--------------完毕: 内核区域映射--------------
一级页表内容:
索引 二级页表物理基址 存在位 读写性 特权级
1003 0x0015b000 1 rw u
991 0x00360000 1 rw u
990 0x0035f000 1 rw u
989 0x0035e000 1 rw u
988 0x0035d000 1 rw u
987 0x0035c000 1 rw u
......
768 0x0015c000 1 rw u
--------------初始化开始: 全局段描述表&TSS--------------
1. 设置内存中的 ts 结构 ts.ts_esp0 = bootstacktop
2. 设置内存中的 ts 结构 ts.ts_ss0 = KERNEL_DS
3. 设置 GDT 表中的 TSS 一项, 维护内存 ts 地址
4. 加载 TSS 段选择子到 TR 寄存器
5. 更新所有段寄存器的段选择子值为 0,即平铺结构
--------------初始化完毕: 全局段描述表&TSS--------------
check_boot_pgdir() succeeded!
--- 页表信息 begin ---
PDE(0e0) c0000000-f8000000 38000000 urw
|-- PTE(38000) c0000000-f8000000 38000000 -rw
PDE(001) fac00000-fb000000 00400000 -rw
|-- PTE(000e0) faf00000-fafe0000 000e0000 urw
|-- PTE(00001) fafeb000-fafec000 00001000 -rw
--- 页表信息 end ---
--------------初始化完毕:内存管理模块--------------
--------------初始化完毕:中断控制器--------------
--------------初始化开始:中断向量表--------------
vec_num is_trap code_seg handle_addr DPL
0x0 n GD_KTEXT 0xc0103480 0
... nt... ... 0
0x80 y GD_KTEXT 0xc01038f0 3
... nt... ... 0
0xff n GD_KTEXT 0xc0103ee4 0
--------------初始化完毕:中断向量表--------------
--------------测试开始:虚拟内存管理模块(vmm)--------------
开始测试 vma结构.
测试点: 是否正确把 vma插入到 mm,是否有重叠,是否能从 mm 找到某个地址所在的 vma.
当前空闲 page 数:31871
初始化了一个 mm_struct.
从 5 到 50, 以及从 55 到 500,每隔 5 个字节创建一个 vma, 长度是 2;全部插入到 mm 链表中.
插入结束,mm 所维护的 vma 数量为100
check_vma_struct() succeeded!
--------------开始测试: page fault--------------
当前页表状态:
--- 页表信息 begin ---
PDE(0e0) c0000000-f8000000 38000000 urw
|-- PTE(38000) c0000000-f8000000 38000000 -rw
PDE(001) fac00000-fb000000 00400000 -rw
|-- PTE(000e0) faf00000-fafe0000 000e0000 urw
|-- PTE(00001) fafeb000-fafec000 00001000 -rw
--- 页表信息 end ---
初始可用页数: 31870.
初始化了一个 mm_struct.
此mm_struct的一级页表地址是: 0xc015b000.
创建一个页目录项对应大小的 vma(1024*4KB=4MB), 物理地址区间是[0,4M), flag=write,并插入到 mm 中.
开始对此区域进行写入.
预计缺页情况:内核检测到缺页异常中断.
pgfault_handler: 开始处理缺页;
缺页异常信息:
page fault at 0x00000100,解析错误码,得到触发原因: K/W [no page found].
已获取触发缺页的 mm_struct
do_pgfault: 分析并处理缺页.cpu 已将触发异常的地址置于 cr2 寄存器,值为: x00000100.
此异常错误码: 2
已通过find_vma获取此地址在 mm_struct 中对应的 vma.
开始恢复缺页异常: 建立对应虚拟地址的页表即可.
已得到此地址的页表项
写入完毕,即将移除页表项
已移除addr所属内存页的页表项
--------------测试通过: page fault--------------
check_vmm() succeeded.
--------------测试结束:虚拟内存管理模块(vmm)--------------
--------------初始化开始:进程调度器--------------
初始化队列: timer_list
初始化队列: run_queue
数值 max_time_slice = 5
sched class: stride_scheduler
--------------初始化完毕:进程调度器--------------
--------------初始化开始: 内核线程--------------
proc_init:
初始化队列: proc_list
内核初始线程描述: idleproc
pid: 0
name: idle
state: PROC_RUNNABLE
kstack: 0xc0158000
当前总进程数: 1
current 进程pid: idle
kernel_thread begin:
为 do_fork 准备 trapframe:
代码段选择子: 0x00000008
数据段选择子: 0x00000010
该内核线程起始地址初始化: 0xc010f1d0
入口点初始化 :0xc010cfb8
trapframe准备完毕,即将进入 do_fork:
do_fork begin:
1. 分配 PCB
2. 指定父进程: current
3. 设置内核栈空间: 2 page
setup_kstack: kstack = new page(2) 4. 设置 file_struct.
copy_fs begin:
是否共享父进程的文件控制块? 否,分配新 fs.
此控制块引用计数值已更新: 1
copy_fs end
4. 设置的 mm_struct
copy_mm:
创建选项:
是否共享父进程 mm? 否, 进程是内核线程,共享一个 mm
. 5. 设置 trapframe 结构
6. 将新进程维护到: proc_list.
7. 唤醒新进程,进程创建结束.
do_fork end
kernel_thread返回 pid:1
--------------初始化开始:ide 磁盘控制器--------------
--------------初始化开始:ide 磁盘控制器--------------
--------------初始化开始:交换分区--------------
初始化了一个 mm_struct.
内核检测到缺页异常中断.
pgfault_handler: 开始处理缺页;
缺页异常信息:
page fault at 0x00001000,解析错误码,得到触发原因: K/W [no page found].
已获取触发缺页的 mm_struct
do_pgfault: 分析并处理缺页.cpu 已将触发异常的地址置于 cr2 寄存器,值为: x00001000.
此异常错误码: 2
已通过find_vma获取此地址在 mm_struct 中对应的 vma.
开始恢复缺页异常: 建立对应虚拟地址的页表即可.
已得到此地址的页表项
内核检测到缺页异常中断.
pgfault_handler: 开始处理缺页;
缺页异常信息:
page fault at 0x00002000,解析错误码,得到触发原因: K/W [no page found].
已获取触发缺页的 mm_struct
do_pgfault: 分析并处理缺页.cpu 已将触发异常的地址置于 cr2 寄存器,值为: x00002000.
此异常错误码: 2
已通过find_vma获取此地址在 mm_struct 中对应的 vma.
开始恢复缺页异常: 建立对应虚拟地址的页表即可.
已得到此地址的页表项
内核检测到缺页异常中断.
pgfault_handler: 开始处理缺页;
缺页异常信息:
page fault at 0x00003000,解析错误码,得到触发原因: K/W [no page found].
已获取触发缺页的 mm_struct
...
--------------初始化完毕:交换分区--------------
--------------初始化开始:文件系统--------------
--------------初始化完毕:文件系统--------------
--------------初始化开始:时钟控制器--------------
--------------初始化完毕:时钟控制器--------------
进入 cpu_idle 函数
kernel_thread begin:
为 do_fork 准备 trapframe:
代码段选择子: 0x00000008
数据段选择子: 0x00000010
该内核线程起始地址初始化: 0xc010f15f
入口点初始化 :0xc010cfb8
trapframe准备完毕,即将进入 do_fork:
do_fork begin:
1. 分配 PCB
2. 指定父进程: current
3. 设置内核栈空间: 2 page
setup_kstack: kstack = new page(2) 4. 设置 file_struct.
copy_fs begin:
是否共享父进程的文件控制块? 否,分配新 fs.
此控制块引用计数值已更新: 1
copy_fs end
4. 设置的 mm_struct
copy_mm:
创建选项:
是否共享父进程 mm? 否, 进程是内核线程,共享一个 mm
. 5. 设置 trapframe 结构
6. 将新进程维护到: proc_list.
7. 唤醒新进程,进程创建结束.
do_fork end
kernel_thread begin:
为 do_fork 准备 trapframe:
代码段选择子: 0x00000008
数据段选择子: 0x00000010
该内核线程起始地址初始化: 0xc010a6ab
入口点初始化 :0xc010cfb8
trapframe准备完毕,即将进入 do_fork:
do_fork begin:
1. 分配 PCB
2. 指定父进程: current
3. 设置内核栈空间: 2 page
setup_kstack: kstack = new page(2) 4. 设置 file_struct.
copy_fs begin:
是否共享父进程的文件控制块? 否,分配新 fs.
此控制块引用计数值已更新: 1
copy_fs end
4. 设置的 mm_struct
copy_mm:
创建选项:
是否共享父进程 mm? 否, 进程是内核线程,共享一个 mm
. 5. 设置 trapframe 结构
6. 将新进程维护到: proc_list.
7. 唤醒新进程,进程创建结束.
do_fork end
kernel_thread begin:
为 do_fork 准备 trapframe:
代码段选择子: 0x00000008
数据段选择子: 0x00000010
该内核线程起始地址初始化: 0xc010a6ab
入口点初始化 :0xc010cfb8
trapframe准备完毕,即将进入 do_fork:
do_fork begin:
1. 分配 PCB
2. 指定父进程: current
3. 设置内核栈空间: 2 page
setup_kstack: kstack = new page(2) 4. 设置 file_struct.
copy_fs begin:
是否共享父进程的文件控制块? 否,分配新 fs.
此控制块引用计数值已更新: 1
copy_fs end
4. 设置的 mm_struct
copy_mm:
创建选项:
是否共享父进程 mm? 否, 进程是内核线程,共享一个 mm
. 5. 设置 trapframe 结构
6. 将新进程维护到: proc_list.
7. 唤醒新进程,进程创建结束.
do_fork end
...
do_sleep:
当前进程信息:do_sleep:
当前进程信息:do_sleep:
当前进程信息:do_sleep:
当前进程信息:do_sleep:
当前进程信息:do_sleep:
当前进程信息:do_sleep:
当前进程信息:do_sleep:
当前进程信息:kernel_execve: pid = 2, name = "sh".
初始化了一个 mm_struct.
user sh is running!!!| 配置项 | 路径 |
|---|---|
| 日志控制 | kern/debug/kdebug.h |
| 调度策略配置 | kern/schedule/sched.h |
- make debug-nox 会卡在 Continuing, 待修复. 使用不带 nox 的版本可以调试.