Lecture 7 Labs

Pagetable

内存中， 0x80000000 以下是外部设备和用户程序的内存，往上是 Kernel 使用的内存。 当 CPU 需要执行指令时，会通过 MMU 将 VA(virtual address) 转换为 PA(physical address) ，然后索引到内存的真实物理地址。 MMU 中有一个 satp register ，它是用来存储当前正在使用的 pagetable ，如果它里面的值是 0 ，说明机器处于刚启动的状态， MMU 不会对进行翻译， VA 会直接指向 PA 。

在 Kernel 的高地址再向上，是一段不被使用的空内存，这是为了防止内核的内存溢出，也能保证内核不崩溃。而再 Kernel 的高地址部分，有一段是 root pagetable ，当 satp 加载这一段地址后， MMU 就会开始进行 VA 到 PA 的转换。

当 xv6 初始化程序时。

• 第一个初始化的页表是 Guard page ，它设置了 V 标志却没设置 U 标志，这样会导致用户程序运行超过这个地址时出现异常。
• 第二个初始化是 stack ，它拥有所有的权限。
• 倒数第二个初始化是 trapframe ，它拥有读写权限。
• 最后初始化是 trampoline ，因为只有它设置了 X 权限。

通常较低层次的页表是共享的，这是标准的做法。

XV6 的内核堆是放在 Page 的高位，这是因为 Risk-V 中是向下增长的，同时在 kernel heap 下面是 Guard page ，它没有实际的物理映射，因此即使内核堆溢出也不会崩溃，如果 kernel heap 过大，连 Guard page 都溢出了，则会出现页面错误，实际上大部分架构都是这样设计的。

Process

1. 内核启动 (Kernel Boot)
   启动电脑时，当按下电源键，计算机经过 BIOS/UEFI、Bootloader 后，加载操作系统内核到内存并执行。

   此时，还没有任何“进程”的概念，只有内核代码在 CPU 上运行。
   内核会初始化硬件、内存管理（页表）、中断控制器等。

2. 创建 0 号进程 (Idle Process)
   内核初始化完成后，会创建0 号进程（通常称为 idle 进程或 swapper）。

   这是一个特殊的内核线程，主要作用是当系统没有其他任务可运行时，让 CPU 进入低功耗状态或执行空循环。

3. 创建 1 号进程 (Init Process)
   0 号进程通过 fork 和 exec 创建1 号进程，通常称为 init。

   职责： init 是用户空间所有进程的祖先。它的任务之一是启动登录界面或直接启动 Shell。 Linux 中： 现代 Linux 通常是 systemd 或 init。

4. Init 启动 Shell
   init 进程会读取配置文件，找到 Shell 程序的路径（例如 /bin/sh），然后执行：

   1. fork()：创建一个子进程。
   2. exec()：在子进程中加载并运行 Shell 程序的二进制代码。
   3. wait()：init 会等待 Shell 进程退出（通常 Shell 会一直运行，直到系统关机）。

---

所有的程序都是通过 init, fork, exec 创建的。

• init
  1. 内核直接调用 uvmcreate() 创建页表，手动映射用户代码。
• fork
  1. 分配新 PCB（进程控制块）。
  2. 调用 uvmcopy() 复制父进程的用户页表（分配新物理页，拷贝数据）。
  3. 复制父进程的内核页表指针（共享内核）。
  4. 子进程开始运行，代码和父进程一样（继续执行 fork() 返回处）。
• exec
  1. 创建全新页表：调用 uvmcreate()（从内核全局页表复制内核部分）。
  2. 重建用户空间：解析 ELF 文件，把新程序的代码/数据映射到 Entry 0。
  3. 销毁旧用户空间：释放原进程的用户内存。
  4. 进程 PID 不变，但代码变成了新程序。

其中 init 和 exec 的创建过程几乎一样，区别只是 init 需要先创建页表。
启动一个进程，通常是先通过 fork 创建一个子进程，然后使用 exec 夺舍子进程成为新的进程。

---

fork 后，子进程的用户态页表是复制自父进程的用户页表，而内核态页表需要单独创建，这是为了防止父进程在子进程结束之前退出。
如果内核态页表不单独创建，同时父进程在子进程结束前退出了，父进程的内核态页表会被销毁，子进程会出现缺页。