Courses

外观

运行边界：程序、内核与机器分别负责什么 ​

从一条写入请求出发 ​

用户程序调用 write(1, "hi", 2)，表达的是“向编号为 1 的已打开对象写两个字节”。它没有说明终端寄存器地址，也不能决定另一个进程何时运行。操作系统的价值正是把物理资源包装成稳定接口，同时检查调用者能否执行操作。

在 xv6 中，用户程序运行于 RISC-V U 模式，内核运行于 S 模式。权限模式决定哪些指令、控制寄存器、页面允许访问；它不是普通 C 变量。试图在用户态直接修改 satp，不能把自己变成内核。硬件拒绝后会陷入预先设置的异常入口。启动早期会涉及 M 模式，但常规进程与内核交互主要看 U/S 两种模式。

内核选择机制，硬件执行检查。例如内核写出 PTE 的 U/R/W/X 位，MMU 在访问时检查它们。一个漏洞可能来自设置错权限，也可能来自内核自己通过可写的直接映射修改了本不该修改的数据。因此“已经进入内核”不意味着参数自动可信。

flowchart LR
  A[用户 C 程序] --> B[用户系统调用桩]
  B -->|ecall| C[硬件切换特权并进入 trap 入口]
  C --> D[xv6 保存状态并检查请求]
  D --> E[内存或文件或设备操作]
  E --> F[恢复用户状态]
  F -->|sret| A
查看流程图文本
flowchart LR
  A[用户 C 程序] --> B[用户系统调用桩]
  B -->|ecall| C[硬件切换特权并进入 trap 入口]
  C --> D[xv6 保存状态并检查请求]
  D --> E[内存或文件或设备操作]
  E --> F[恢复用户状态]
  F -->|sret| A

三种地址、两个栈 ​

读代码时先标注一个数是什么地址：用户虚拟地址、内核虚拟地址，还是物理地址。即使 xv6 的内核对部分 RAM 采用直接映射，数值常常相同，它们的语义也不相同。把用户传来的 0x4000 强转为内核指针，CPU 会按照当前内核页表翻译它，绝不会自动去查调用进程的用户页表。

每个进程既有用户栈，也有内核栈。用户栈保存应用函数调用；系统调用进入内核后需要可信栈，不能继续把用户可修改的栈当内核工作区。trapframe 保存跨特权边界的用户寄存器；context 保存内核调度切换需要的寄存器。它们服务于不同切换，不能互相替代。

把内核分成六组阅读，比按文件字母顺序有效：启动 entry.S/start.c/main.c；地址空间 vm.c/kalloc.c；进程 proc.c/swtch.S；陷入 trampoline.S/trap.c/syscall.c；文件 file.c/fs.c/log.c/bio.c；设备 uart.c/virtio_disk.c。实验分支还会加入 e1000.c/net.c 等文件。

获取与锁定官方实验代码 ​

在自己的实验目录执行：

sh
git clone git://g.csail.mit.edu/xv6-labs-2025
cd xv6-labs-2025
git switch util
git rev-parse HEAD
make qemu

这里的 git:// 是官方 handout 给出的仓库地址；网络若不允许 9418 端口，先确认网络访问条件，再选择能核验同一提交的镜像。不要把任意搜索到的学生答案仓库当作官方骨架。

本资料已核验以下分支。短 SHA 仅用于阅读识别，完整值保存在 labs/os/upstream-pins.json。

分支已核验提交前缀
utildb9a9d8b7d82
syscall0e53502c9edd
pgtblcff452f8f70f
traps4270ccc3d1a6
cowcf0eb5bdaaa2
net982b43b57332
lockaf12b48372eb
fsa95dec46d444
mmap5648f647958d

例如独立开展 COW，可从已核验提交建立自己的分支：

sh
git switch -c study-cow cf0eb5bdaaa24f3a46a80d2702af3c9e260c2692
make clean
make qemu

切换前先保存自己的改动。实验测试期待相应骨架的接口，不能把 superpage 分支的所有改动直接带进 COW 后再把失败归因于 COW 思路。

环境与第一轮观察 ​

需要能生成 RISC-V 目标的编译器、binutils、调试器和 qemu-system-riscv64。具体安装命令应跟随官方 tools 页和本机平台。宿主机是 ARM Mac，并不意味着 xv6 也改为 ARM：QEMU 仍模拟 RISC-V，交叉编译器仍生成 RISC-V 指令。

第一次启动只做三件事：运行 ls 看文件镜像里装了什么；按 Ctrl-p 看进程状态；用 Ctrl-a 后按 x 退出 QEMU。2025 的 make qemu 会重新构建文件镜像，需要保留上次镜像时使用 make qemu-fs。在宿主 shell 与 xv6 shell 之间保持清晰边界：make grade 在宿主执行，usertests -q 在 xv6 中执行。

自测：用户指针和内核指针数值相同，就能直接解引用吗？

不能。必须先确定当前页表、地址范围和访问目的。系统调用参数代表用户地址时，应使用相应的 copyin/copyout/copyinstr 路径。数值相同只是映射布局上的巧合，不是权限与生命周期的保证。

继续阅读：进程。源码依据：官方 2025 仓库上述提交、教材。