start.c

#include "types.h"
#include "param.h"
#include "memlayout.h"
#include "riscv.h"
#include "defs.h"

void main();
void timerinit();

TIP

entry.S 需要为每个 CPU 核（hart）准备一个栈空间。 xv6 在机器模式（M-mode）下运行，因此需要一个物理地址的栈。 attribute ((aligned (16))) 确保了栈是 16 字节对齐的， 这是 RISC-V ABI（应用程序二进制接口）的要求。

__attribute__ ((aligned (16))) char stack0[4096 * NCPU];

TIP

entry.S 在机器模式（M-mode）下，设置好栈指针后会跳转到这里。 RISC-V 处理器启动时处于 M-mode，具有最高权限。 start() 函数的职责是完成从 M-mode 到监管者模式（S-mode）的切换， 并为内核的 C 代码执行做好准备。

void
start()
{

TIP

1. 设置下一次 mret 指令的目标特权级别为监管者模式（S-mode）。 mstatus 是一个控制状态寄存器。MSTATUS_MPP_MASK 用于屏蔽掉 MPP（Machine Previous Privilege）字段，然后将其设置为 S-mode。 当 mret 执行时，CPU 的特权级别会切换到 MPP 字段指定的值。

  unsigned long x = r_mstatus();
  x &= ~MSTATUS_MPP_MASK;
  x |= MSTATUS_MPP_S;
  w_mstatus(x);

TIP

2. 设置 mret 指令的返回地址为 main 函数。 mepc（Machine Exception Program Counter）存放的是异常返回地址。 通过将 main 函数的地址写入 mepc，mret 将会跳转到 main 函数执行。 这需要 GCC 的 -mcmodel=medany 编译选项，以确保能生成位置无关的代码。

  w_mepc((uint64)main);

TIP

3. 禁用分页机制，切换到物理地址模式。 satp（Supervisor Address Translation and Protection）寄存器控制分页。 写入 0 会关闭虚拟地址到物理地址的转换。 在内核页表建立之前，我们只能使用物理地址。

  w_satp(0);

TIP

4. 将所有中断和异常委托给监管者模式（S-mode）处理。 medeleg (Machine Exception Delegation) 和 mideleg (Machine Interrupt Delegation) 寄存器分别控制异常和中断的委托。 将所有位置为 1，意味着 M-mode 将所有类型的异常和中断都直接委托给 S-mode 处理， 这样内核就可以在 S-mode 下统一处理，而无需陷入到 M-mode。

  w_medeleg(0xffff);
  w_mideleg(0xffff);

TIP

5. 开启 S-mode 下的外部中断(SEIE)、时钟中断(STIE)和软件中断(SSIE)。 sie (Supervisor Interrupt Enable) 寄存器控制 S-mode 下的中断使能。

  w_sie(r_sie() | SIE_SEIE | SIE_STIE | SIE_SSIE);

TIP

6. 配置物理内存保护（PMP），允许 S-mode 访问所有物理内存。 PMP 是 RISC-V 的一个安全特性，可以限制对物理内存的访问。 这里通过设置 PMP 寄存器，将整个物理地址空间配置为对 S-mode 可读、可写、可执行。 pmpaddr0 设置地址范围，0x3fffffffffffffull 覆盖所有 56 位物理地址。 pmpcfg0 设置权限，0xf 表示读(R)、写(W)、执行(X)权限都开放。

  w_pmpaddr0(0x3fffffffffffffull);
  w_pmpcfg0(0xf);

TIP

7. 初始化时钟中断。 这将为每个 CPU 核设置一个定时器，以便进行周期性的任务调度。

  timerinit();

TIP

8. 将每个 CPU 核的硬件线程ID（hartid）保存在其 tp 寄存器中。 tp 寄存器在 RISC-V 中通常用作线程指针。 xv6 利用它来快速获取当前 CPU 的 ID，cpuid() 函数会读取这个值。

  int id = r_mhartid();
  w_tp(id);

TIP

9. 执行 mret 指令，正式切换到监管者模式（S-mode）并跳转到 main 函数。 这是从 M-mode 到 S-mode 的关键一步。

  asm volatile("mret");
}

TIP

为每个 hart 设置时钟中断。 S-mode 不能直接访问 mtimecmp，但可以通过 stimecmp 来间接设置。

void
timerinit()
{

TIP

1. 在 M-mode 下，使能 S-mode 的时钟中断。 mie（Machine Interrupt Enable）寄存器控制 M-mode 的中断。 MIE_STIE 位控制 S-mode 时钟中断是否能被触发。

  w_mie(r_mie() | MIE_STIE);
  

TIP

2. 启用 sstc 扩展，允许 S-mode 直接写 stimecmp 来触发时钟中断。 这可以避免每次设置时钟都需要陷入到 M-mode，提高了效率。

  w_menvcfg(r_menvcfg() | (1L << 63)); 
  

TIP

3. 允许 S-mode 访问 time 寄存器。 mcounteren 控制 S-mode 对性能计数器的访问权限。

  w_mcounteren(r_mcounteren() | 2);
  

TIP

4. 设置第一次时钟中断的触发时间。 stimecmp 是 S-mode 的时钟比较器。当 time 寄存器的值 大于等于 stimecmp 的值时，就会触发一个时钟中断。 这里将当前时间加上一个固定的间隔，作为下一次中断的时间点。

  w_stimecmp(r_time() + 1000000);
}