xv6のコンテキストスイッチを読む

xv6のコンテキストスイッチを読む

@mfumi2

自己紹介

●
セキュリティキャンプ2012OS組

最近こんな本が出ました

はじめてのOSコードリーディング
青柳隆宏著

おすすめ! でも...

UNIX V6 を読む上で大変なところ

●
PDP11
●
Cの記法が古い (pre K&R)
●
アセンブラの記法が特殊
●
デフォルトが8進数
●
etc...

xv6とは

●
MITで開発された教育用OS
http://pdos.csail.mit.edu/6.828/2012/xv6.html
●
UNIX V6 を x86 向けに書き直したもの
●
解説書有り
http://pdos.csail.mit.edu/6.828/2012/xv6/book-
rev7.pdf

xv6の特徴

●
x86
●
マルチプロセッサ対応
●
バイナリはELF
●
スワッピング機能はなし
●
qemu+gdb で動作可

コンテキストスイッチ

●
プロセスのコンテキストを切り替える
●
コンテキスト …
– メモリ空間
→ cr3 レジスタを切り替える
– スタック
→ %esp を切り替える
– 各種レジスタ
→ プロセスごとのスタックに退避&スタックから復帰

xv6のコンテキストスイッチ
• switch.S

void swtch(struct context **old,
struct context *new);

• proc.h

• switch.S
メモリ
%
%
%
★
% %esp
%eip(swtchの戻り先)

new(%edx)
%edi
%esi
%ebx
%ebp

• switch.S
メモリ
%edi
%esi
%ebx %esp
★
%ebp

new(%edx)
%edi
%esi
%ebx
%ebp

• switch.S
メモリ
%edi
%esi %esp
%ebx
★
%ebp

new(%edx)
%edi
%esi
%ebx
%ebp

• switch.S
メモリ
%edi %esp
%esi
%ebx
%ebp
★ %eip(swtchの戻り先)

new(%edx)
%edi
%esi
%ebx
%ebp

• switch.S
メモリ %esp
%edi
%esi
%ebx
%ebp
★

new(%edx)
%edi
%esi
%ebx
%ebp

• switch.S
メモリ %esp
%edi *old(%eax)
%esi
%ebx
%ebp

★ new(%edx)
%edi
%esi
%ebx
%ebp

• switch.S
メモリ *old(%eax)
%edi
%esi
%ebx
%ebp

%esp
new(%edx)
★ %edi
%esi
%ebx
%ebp

• switch.S
%edi
%esi
%ebx
%ebp

new(%edx)
%edi %esp
%esi
%ebx
★ %ebp

• switch.S
%edi
%esi
%ebx
%ebp

new(%edx)
%edi
%esi %esp
%ebx
%ebp
★ %eip(swtchの戻り先)

• switch.S
%edi
%esi
%ebx
%ebp

new(%edx)
%edi
%esi
%ebx %esp
%ebp
★

• switch.S
%edi
%esi
%ebx
%ebp

new(%edx)
%edi
%esi
%ebx
%ebp %esp
★

xv6のコンテキストスイッチの流れ

ユーザプロセス1 ユーザプロセス2

タイマ割り込み iret
　
割り込みハンドラスケジューラ割り込みハンドラ
swtch() swtch()

(1) 割り込みの発生

●
xv6では100msごとにタイマ割り込みが発生
●
割り込みが発生すると
– 特権レベルが3から0に移行
– スタックがカーネルスタックに切り替わる
(TSSからカーネル用%espと%ssを読み込む)
– スタックに%ss, %esp, %eflags, %cs, %eip を積む
(現在実行していたプロセスの状態を積む)
– 対応する割り込みハンドラに移行

(1) 割り込みの発生

xv6では
●
vectors.S (vectors.plから生成される) 内に定義してあ
る vector$i() ($iは割り込み番号) が呼び出される
(割り込みハンドラの設定は trap.c の tvinit(), idtinit(), いずれも main.c
のmain()から呼ばれる )
●
vector$i から trapasm.S の alltraps() に飛ぶ

(2) 割り込みハンドラの処理
●
trapasm.S alltraps

・自動に退避されないレジスタを退避
・カーネル用セグメントの設定
・最終的に trap.c の trap()を呼ぶ


●
trap.c の trap() でそれぞれの処理に応じた割り込み処
理をおこなう
(割り込みハンドラごとに処理をおこなっていない)
●
タイマ割り込みの場合 CPU 時間切れなら proc.c の yield()を呼ぶ
●
yield()からさらに proc.cの shced()が呼ばれる

タイマ割り込み → vectors.S#vector$i() → trapasm.S#alltraps()
→ trap.c#trap() → proc.c#yield() → proc.c#shced()

●
proc.c の sched()
スケジューラプロセスにコンテキストスイッチする

・proc‥現在のプロセスの情報をも
つ構造体
・cpu‥各CPUが持つCPUの情報を
もつ構造体
それぞれproc.h で定義

コンテキストの切り替え
•swtch()からの戻り先 (cpu->scheduler.eip)
は proc.c の scheduler()

(3) スケジューラの処理 proc.c
scheduler()

次に実行するプロセス
を探す(ラウンドロビン)

メモリ空間の切り替え
選択したプロセスにswtch()
★ sched()のswtch()から
の戻り先
メモリ空間をカーネル用
に切り替え

(3) スケジューラの処理

●
何故sched()のswtch()からscheduler()に戻るのか?
→ ブートローダから呼ばれることになる main.c の
main()でinitプロセス(proc[0])を起動後shceduler()を呼
ぶため

(4) 割り込みハンドラの処理(後半)
●
proc.c の sched()
scheduler() から swtch() によって選択されたプロセスの再開

★
ここから処理が再開

(4) 割り込みハンドラの処理(後半)

●
最終的にalltrap() まで return し，そこで iret して割り込み終了
●
iret でスタックからプロセスの状態を復帰させる．このとき特権レ
ベルも3に戻る
スタックが切り替わっているので別のプロセス状態に戻る

trapasm.S
メモリ
%eip
%cs
%eflags
%esp
%ss

xv6のコンテキストスイッチの流れ(再掲)

ユーザプロセス1 ユーザプロセス2

タイマ割り込み iret
　
割り込みハンドラスケジューラ割り込みハンドラ
swtch() swtch()

まとめ

●
PDP11がいやな人はxv6読んでみたらどうでしょうか
●
いろいろと改造のしどころ有り

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