カーネル／VM勉強会 第二回 OS基礎（xv6）

1. @syuu1228

2. 資料
 Software Developers Manual
http://download.intel.com/products/proce
ssor/manual/325462.pdf
 ICH10 Datasheet
http://www.intel.com/assets/pdf/datashe
et/319973.pdf

3. おさらい
 このあたりは「はじめて読む486」を読
んでれば分かってるはず
 わかってない人がこの場にいるとも思え
ないんだけれども…

4. 割り込みとは
 現在CPU上で実行しているプログラムを停止
して別の処理を実行する為にCPUが持つ機能
 UNIX上のアプリケーションにおける「シグナル」に
近い概念
 二種類ある
 ハードウェア割り込み
○ ハードウェアからCPUへ「キーボード押されたよ」な
どのメッセージを通知するのに使う
○ 単に「割り込み」と呼ばれる事もある
 ソフトウェア割り込み
○ ソフトウェアから割り込みを起こせる
○ モード切替に利用される→システムコールに使う

5. ハードウェア割り込みの例
 ATAコントローラ
 HDDへのread/writeリクエストの完了通知
 シリアルポート・NIC
 受信通知
 送信完了通知
 タイマー
 一定期間毎に割り込み
 指定期間後に割り込み

6. ATA受信割り込みの例
1. ユーザプログラムがファイルに対して
writeシステムコールを実行
2. ファイルシステムがバッファキャッシュ
へ書き込み（ダーティフラグON）
3. バッファキャッシュがHDDへライトバッ
ク
4. ATAドライバがATAコントローラへ書き込
み要求を送信
5. 書き込みが終了したらバッファキャッ
シュのダーティフラグをクリア

7. 書き込みが終了したら？
割り込みを使わない場合
 ATAコントローラのステータスレジスタを確
認し続ければ完了したかどうか分かる
send_write_request(buffer);
while(read_ata_status() &
ATA_STATUS_BUSY)
;
buffer.is_dirty = 0;
 busy waitになってしまう→CPUの無駄

8. 書き込みが終了したら？
割り込みを使う場合
 送信完了時の処理は、割り込み着信時に実行すれ
ばいい
書き込み処理：
send_write_request(buffer);
sleep(buffer);
割り込みハンドラ：
buffer = find_buffer(ata_reg);
buffer.is_dirty = 0;
wakeup(buffer);
 busy waitしていない分のCPU時間を別の処
理（別のプロセスを実行など）にまわせる
 sleep()/wakeup()で待ち合わせ

9. 割り込みハンドラ
 割り込みを受けた時にCPUが実行するプロ
グラム（関数呼び出しを伴わない関数のよ
うなもの）
 割り込みハンドラ実行時にCPUがレジスタ
の状態をスタックへ退避
 ハードウェア割り込みの場合は、デバイス
のレジスタを読んで割り込みの処理に応じ
た最小限の処理を実行
 割り込みハンドラから終了用の命令を実行
して、スタックから割り込み前の状態へ復
帰

10. プリエンプティブマルチタスク
と割り込み
 プリエンプティブマルチタスク：
カーネルがプロセスへのCPUの割り当
て時間を管理、タイマーを使ってアプリ
ケーションを一定時間毎に切り替え
 プロセスが無限ループなどに陥りカーネ
ルへ制御を渡さない場合でもタイマー割
り込みにより中断され、割り当て時間を
使い切ったら他のプロセスへ切り替えら
れる
 割り込みがないと実現出来ない

11. 例外
 割り込みとは別の概念だが、実装上の共
通点は多いためx86では共通の仕組みで
取り扱われている
 アプリケーション上の例外とほぼ意味は同
じだが、CPU上の機能
 例外の例：
ゼロ除算、無効な命令、ページフォール
ト、一般保護例外、ブレークポイント

12. 割り込み／例外ベクタ
 0-255のベクタ番号が割り込みと例外に
割り当てられる
 例外は要因毎に0-19の固定された値
 ソフト割り込みは0-255へ割り込み可
 ハードウェア割り込みはLAPIC経由の場合
16-255へ割り込み可
 OSはIDT（Interrupt Descriptor Table）
を作成し、CPUへアドレスを設定

13. IDT（Interrupt Descriptor
Table）とIDTR
 各ベクタの割り込みハンドラの情報を持
つGate Descriptorが並んでいるメモリ上
のテーブル
 テーブルの先頭アドレスとLimit値
（テーブルのサイズ、255未満のGate数
に対応）をCPUのIDTRに書き込む事に
より設定（IDTRを設定しない限り、
CPUは割り込み時に何をしたらいいか
分からない）

14. Gate Descriptor
 前述の「割込みハンドラ」のアドレスを持つ
構造体
 単なる関数へのポインタではなくて、セグメ
ントの設定とか権限（Ring）とか16 bit/32 bit
のモード選択とか、幾つかのパラメータを含
む
 Task gate, Interrupt gate, Trap gateの三種類あ
る
 Task gateはHWのマルチタスク機能でハンドリング
する方法で今は使われていない
 Interrupt gateとTrap gateは普通に割り込みハンドラ
へジャンプする方法
EFLAGS.IFフラグをクリアするか否かが違い

15. IDT,IDTR,Gate descriptorの関
係
IDTR register
47 16 15 0
Base address Limit
IDT
Gate for interrupt 255
…
Gate for interrupt 3
Gate for interrupt 2
Gate for interrupt 1 Interrupt Gate
DPL rese segment
Gate for interrupt 0 offset 31..16 offset 15..0
/P rved selector

16. xv6のIDT周りを見てみる
 main.c:main()
 tvinit(); 割り込みベクタの設定
 mpmain();
○ idtinit(); IDTRの設定
 trap.c:tvinit()
 for(0..255) SETGATE(idt[i] … vectors[i] …)
idt[i]にvectors[i]を割り込みハンドラとしたgate
descriptorを設定
 システムコールだけDPL_USERに
 trap.c:idtinit()
 x86.h:lidt()
○ asm volatile(“lidt (%0)” :: “r” (pd)); LIDT命令でidtのアド
レスを設定

17. xv6の割り込み・例外ハンド
ラ
 vectors.pl→vectors.S
 vectorsはvector0..vector255を指すポインタが入っている
テーブルで、vectorNはalltrapsを呼んでいる
 trapasm.S
 全レジスタpush
 pushl %esp
 call trap
 全レジスタpop
 iret （割り込みからの復帰）
 trap.c:trap()
 trapasm.Sから引数として渡されたスタックポインタを構
造体として参照
 trapnoがシステムコールの場合・タイマ／IDE／キーボー
ド／シリアル割り込みの場合についてそれぞれのハンド
ル関数をコールしている

18. CPU内部の割り込みの話おわり
 実際には、割り込みはCPUの外から
やってくる
 これを受け取ってどうCPUへ割り込み
をかけるかを司る、仲介役を果たす「割
り込みコントローラ」が必要
 割り込みコントローラのずっと向こう側
に、実際に割り込みを送っているデバイ
スが居る
 さぁ、CPUの向こう側の話をしよう

19. Advanced Programmable
Interrupt Controller (APIC)
 オリジナルのx86アーキテクチャでは割
り込みコントローラとしてPIC(8259)を
使っていたが、P6以降のx86アーキテク
チャではAPICへ移行（PICも未だ存在し
ていて使える）
 CPU毎に存在しCPUに内蔵されている
Local APICと、ICH（Southbridge）に
内蔵されているI/O APICから構成されて
いる

20. Local APICとI/O APIC
 Local APIC
ローカル割り込みのベクタ番号設定、割
り込みベクタ番号通知、EOIなど一般的
な割り込みコントローラの役割
 I/O APIC
どの外部割り込みをどのLocal APICに振
るか等を決める役割

21. Local APICとI/O APIC
8259A PIC
CPU CPU CPU
LINT0 IPI
Local APIC Local APIC
Timer
LINT1 Local APIC
NMI
IOAPIC External Interrupts
ICH(South bridge)

22. Local APIC内のコンポーネ
ント
なにやら割り込みコントローラ以外にも幾
つか機能が乗っている
 タイマー
カーネルのtickに使うことが多い
 温度センサ
 パフォーマンスモニタリングカウンタ

23. APIC ID
 Local APIC ID Registerから取得可
 APIC IDでプロセッサを一意に特定
 このIDでI/O APICから割り込み先CPUを
指定

24. Local Vector Table
 ローカル割り込みのベクタ番号を設定
 CMCI(Corrected Machine Check Interrupt)
 Timer
 Thermal Monitor
 Performance Counter
 LINT0/1 レガシーデバイスとか
 Error
 外部割り込みはここで設定しない

25. 割り込みの受信
 IRR: Interrupt Request Register
CPUが未処理の割り込みベクタ番号にビッ
トが立っている
 ISR: In Service Register
次に割り込む候補
EOIへ書き込まれた時にIRR→ISRへビット
が更新される
 EOI: End Of Interrupt Register
割り込みハンドラ終了通知として0を書き
込む（例外有り）

26. I/O APIC (ICH10の場合)
 24本の割り込みをサポート
 Redirection Tableで割り込み先Local
APICを決定（24エントリのテーブル）

27. Redirection Table
 各IRQの宛先APIC ID, Vectorなどを設定
 Destination 宛先APIC ID
 Mask 割り込みマスク
 Trigger Mode Edge/Level
 Remote IRR
 Interrupt Input Pin Polarity
 Delivery Status Idle/Pending
 Destination Mode Physical/Logical
 Delivery Mode Fixed/Lowest…
 Vector Vector no of interrupt

28. Destination Mode
 Physical Destination Mode
 LAPIC上のLocal APIC ID Registerの値を指
定する事によりCPUを一意に特定
 Logical Destination Mode
 LAPIC上のLogical Destination Registerと
Destination Format Registerの値とAddress
されたIDがマッチするかどうかで判別

29. Logical Destination Mode
 Destination Format Registerでモード選択
 flat model
 各LAPIC毎にLDRへ異なるbitを立て、宛先アド
レスには複数のbitを立てる事で複数のCPUのを
選択可能
 アドレスが8bitしか無いので対応CPU数は8まで
 cluster model
 LDRと宛先アドレスを4bitで分割、双方cluster
IDとlogical IDを持つ
 使い方がよくわからない…8より多いCPUをサ
ポートする為の階層化？

30. Delivery Mode
 Fixed
Destinationに指定された全てのCPUへ
割り込み
 Lowest priority
DestinationのうちLAPICのTask Priority
Registerの値が最も小さいCPUへ割り込
み
→TPRを制御する事で動的に割り込み先
を変更可能

31. xv6のLAPIC周りを見てみる
 main.c:main()
 lapicinit(); LAPICを初期化
 lapic.c:lapicinit()
 LAPIC有効化
 タイマー初期化
 LINT0/LINT1、パフォーマンスカウンタ割り
込み無効化
 エラー割り込みのベクタ番号設定
 エラーステータスレジスタクリア
 割り込みクリア

32. 割り込みハンドラ周りの
LAPIC
 trap.c:trap()
 lapiceoi(); EOIレジスタへ0書き込み
 lapic.c:lapiceoi()

33. xv6のI/O APIC周り
 main.c:main()
 ioapicinit();
 ideinit();
 ioapic.c:ioapicinit()
 全ての割り込みを無効に
 ide.c:ideinit()
 ioapicenable(IRQ_IDE, ncpu – 1);
IRQ_IDEをAPIC ID=ncpu -1へ送るよう設定
 質問：Delivery ModeとDestination Modeは
何？

34. xv6のI/O APIC周り
 console.c:consoleinit()
ioapicenable(IRQ_KBD, 0)
 uart.c:uartinit()
ioapicenable(IRQ_COM1, 0)

35. PIC(8259)
 IOAPICと同様ICHに存在
IOAPIC（又はcpu0のLocal APIC）へ接続
されている
 「古い割り込みコントローラ」のように紹
介したが、レガシデバイスが接続されてい
るのでそのようなデバイスを使う場合は
PICを使う必要がある
 xv6ではレガシデバイスを使う為、
PIC→IOAPICの順で割り込みの設定を行
なっている
 ideinit(),consoleinit(),uartinit()で呼んでいる
ioapicenable()の手前にあるpicenable()

36. レガシデバイス
 以下の様なデバイス
 PS/2 キーボード／マウス
 IDE
 COM0, COM1
 Floppy
 etc…

37. MSI: Message Signal Interrupt
MSI-X: MSI Extended Interrupt
 物理的な割り込み線を用いず、（多分、
PCIの？）メッセージング機構により割
り込みを通知する仕組み
 PCI Expressからサポート必須
 IO APICを経由しない（！）
 →割り込み先どうやって決めんの？
 PCI Configuration Spaceに設定

38. MSIの割り込み設定
 詳細はここをみてね
 IOAPICと同じく、Logical/Physicalの
Destination Mode、Fixed/Lowestなどの
Delivery modeが存在

39. x2apic
 拡張されたAPIC
 何が拡張されたか？
 色々あるはずだが、少なくともLocal APIC
IDやDestinationのフィールド長が拡張され
ている
 より沢山のCPUをサポート出来るように
なった