オペ―レーティングシステムの読み書き
Rev.2.1
@magoroku15
2012/3/24
日本Androidの会 沖縄支部 workshop@Naha Vol.17 - v6 unix 勉強会
2012/3/24
1

他人の作品を読まなかった偉
大な作家，他人の筆づかいを
研究しなかった偉大な画家，
同僚の肩越しに技を盗まな
かった腕のよい外科医，副操
縦席で実地の経験を積まな
かった767機長――果たして，
そんな人たちが本当にいるの
でしょうか？
Dav
e Thomas著 Code Reading―オープンソースから学ぶソフトウェア開発技法 より

2012/3/24
2

最底辺活動
Lions本読書会に出てみた
本だけで読み解くのは大変
若干の解説を加えれば理解できる人は増えるはず
拙者のネタとしてGeekBarなどで話すことにした
これを最底辺活動と言っている
○ 他にもFPGAでPDP11を動かしたり、PICで遊んだり
UNIX v6を読む理由
最新のBSD, Linuxと実装は異なるが根幹は同じ
UNIX v6を読む事が現代のOSを理解する近道(だと
思う)
2012/3
/24
3

Lions’ Commentary on UNIX本読書会

月に１回貸し会議室(喫茶室ルノアール)にあつまってLions本の読書会

濃すぎる常連
@awazo
主催している人
@7shi
低レイヤ勉強会を多数主催、SilverLightで動くPDP-11のエミュレータ作った人
@xylnao11
古くからPDP-11とUNIXで遊んでて、最近安価なFPGAにPDP-11を載せてしまった人
@superhoge
Blogがすごい、JavaScriptで動くPDP-11のエミュレータを作った人
@toyoshim
一人で読み終えてしまった人
@pakuqi
v7講座を生徒役で参加してBlogに話した事の１０倍くらいの内容をまとめてくれた人
@oraccha
PDP11に詳しくて、V1も読んでる人
2012/3/24
4

お勧めのBlogなど
http://d.hatena.ne.jp/takahirox/
http://www.tom-yam.or.jp/2238/index.html
http://d.hatena.ne.jp/n7shi/
http://xiangcai.at.webry.info/
http://d.hatena.ne.jp/oraccha/

2012/3/24
5

@magoroku15の最近のネタ
ADK互換モジュールを1200円で作る
http://www.slideshare.net/magoroku15/poormans-adk-11350123

OpenCoresのw11を動かしてみる
http://www.slideshare.net/magoroku15/pdp11-onfpga

その他
横浜Android PF部,nagoyageekbar等で話したネタ
は以下に置いてあります
○ http://www.slideshare.net/magoroku15/
2012/3/24

6

教材
Unix version6
テキスト
○ Lions Commentary on UNIX / ASCII Books 3990円
原著online版
○ http://v6.cuzuco.com/v6.pdf
○ http://www.lemis.com/grog/Documentation/Lions/boo
k.pdf
PDP-11/40
PDP-11 Processor Handbook
http://pdos.csail.mit.edu/6.097/readings/pdp11-40.pdf

2012/3/24
7

ウォームアップ
OSの領域はプログラマにとっての最底辺部
アプリケーションプログラマ
○ 提供されるAPIを利用して、一般向けのサービス等を提供する人
システムプログラマ
○ ハードウェアの機能を利用して、API等プログラマ向け機能を提供
する人
必要とされる前提知識が異なる
命令レベルで計算機を（ぼんやりと）理解する必要あり
アプリケーションプログラマ向けの準備運動
Lions本
○ 第2章 Fundamentals (PDFだとP4)
命令セット
○ 第9章 Hardware Interrupt and Traps (PDFのP42)
割り込み
PDP-11 Processor Handbook

2012/3/24
8

Lions本 2章
2012/3/24
9

システムプログラマから見た
計算機の構成要素
CPU
レジスタ
○ 汎用レジスタ

一般の演算命令に使用
○ スタックポインタ
スタックの先頭位置
○ プログラムカウンタ
次に処理する命令の位置
フラグレジスタ

演算結果の一部を記憶
制御/状態レジスタ


Memory
外部記憶

2012/3/24
10

PDP-11/40
レジスタ
16bitのレジスタが8個
r0-r7
r6はspスタックポインタ
r7はpcプログラムカウンタ
Processor Status Word
フラグレジスタ+状態レジスタ
memory
仮想アドレス幅は16bit 最大 64kbyte
物理アドレス幅は18bit
最大 256kbyte
2012/3/24
11

レジスタ r0-r7
r0, r1

演算結果の一時的な保持、復帰値など
r2, r3, r4
関数内のローカル変数。呼ばれた関数で退避し、
関数の終了時に復元
R5
フレームポインタ
r6 (sp)

スタックポインタ
r7 (pc)

実行する命令の位置(アドレス)
2012/3/24
12

Processor Status Word (PSW)
14-15 現在のモード (00 = kernel 11 = user)
12-13 以前のモード
5-7
プロセッサの優先度 (0～7)
4
トラップビット
3 N
演算結果が負
2 Z
演算結果が0
1 V 演算結果がオーバフロー
0 C
演算結果がキャリー
2012/3/24
13

ＣＰＵの処理
以下を繰り返す
1. PCの示す位置(アドレス)から命令を読み込む
2. 解析して
3. 実行
4. 実行の副作用として以下の事象が発生する
PSWを書き換え
PCを書き換え
レジスタの書き換え
メモリの内容を書き換えたりする

2012/3/24
14

CPUの処理 誤解しやすい点
PCもレジスタの一種
PC(r7)を書き換えると処理がジャンプ
比較と分岐は別命令


2012/3/24
15

UNIXカーネルを理解するための
2012/3/24
16

C言語の空間モデル
Text
text
命令列の格納領域
書き換え禁止
data
Data
bss
非０で初期化されたデータ領域
Bss
0で初期化されたデータ領域
Stack
自動(auto)変数の格納領域
関数呼び出し時のレジスタ退避域
stack

注）スレッドは、まだ存在しないので対象外

2012/3/24
17

変数の宣言と空間配置
int i;


// Bss
a.out形式
実行時
Int j = 1;


// Data
(ファイル)
(メモリ)

header
main()
text
text
{
static int k = 1;
// Data
data
data
int l = 1;

// Stack
bss
int m;


// Stack
:
}
stack
2012/3/24
18

関数呼び出しとスタック Ｃ
main()
{

int e, f, r;

e = 1;

f = 2;

r = func(e, f);
}

int c, d;

func(a, b)
{

c = a;

d = b;

return c + d;
}
2012/3/24
19

関数とスタック namelist
# nm -n a.out
000170T
cret 0x78
000000a 0x00
crt0.o
000206B
_c
000000t

start
000210B
_d
000004a

a
000212B
savr5
000006a

b
177764a
r
000030T 0x18
_main
177766a
f
000030a

src.o
177770a
e
000030t

~main
000102T 0x42
_func
000102t

~func
000140T 0x60
_exit
000140a

exit.o
000152T 0x6a
csv
000152a

csv.o
2012/3/24
20

関数呼び出しとスタック ASM
.globl _main
.comm _c,2
.text
.globl _d


_main:
.comm _d,2


~~main:
.globl _func


~e=177770
.text


~f=177766


_func:


~r=177764


~~func:


jsr
r5,csv


~a=4


sub $6,sp


~b=6


mov $1,-10(r5)


jsr
r5,csv


mov $2,-12(r5)


mov 4(r5),_c


mov -12(r5),(sp)


mov 6(r5),_d


mov -10(r5),-(sp)


mov _c,r0


jsr
pc,*$_func


add _d,r0


tst
(sp)+


jbr
L2


mov r0,-14(r5)
L2:
jmp cret
L1:
jmp
cret
.globl
.globl _c
.data
2012/3/24
21

csv 関数の入り口
Main:
csv:
:
mov r5,r0
jsr r5,csv
mov sp,r5
:
mov r4,-(sp)

mov r3,-(sp)

mov r2,-(sp)

tst -(sp)

jmp (r0)
r0 r1 r2 r3 r4 r5 r6:sp r7:pc
---- 0484, 0000, 0000, 0000, 0000, 0000, 047e, 0018 jsr r5,006a
---- 0484, 0000, 0000, 0000, 0000, 001c, 047c, 006a mov r5,r0
---- 001c, 0000, 0000, 0000, 0000, 001c, 047c, 006c mov sp,r5
---- 001c, 0000, 0000, 0000, 0000, 047c, 047c, 006e mov r4,-(r6)
-z-- 001c, 0000, 0000, 0000, 0000, 047c, 047a, 0070 mov r3,-(r6)
-z-- 001c, 0000, 0000, 0000, 0000, 047c, 0478, 0072 mov r2,-(r6)
-z-- 001c, 0000, 0000, 0000, 0000, 047c, 0476, 0074 tst -(r6)
-z-- 001c, 0000, 0000, 0000, 0000, 047c, 0474, 0076 jmp (r0)
2012/3/24
22

cret 関数の出口
main:
cret:

:
mov r5,r1
jmp
cret
mov -(r1),r4

:
mov -(r1),r3

mov -(r1),r2

mov r5,sp

mov (sp)+,r5

rts pc
r0 r1 r2 r3 r4 r5 r6:sp r7:pc
---- 0003, 0462, 0000, 0000, 0000, 047c, 046e, 003e jmp 0078
---- 0003, 0462, 0000, 0000, 0000, 047c, 046e, 0078 mov r5,r1
---- 0003, 047c, 0000, 0000, 0000, 047c, 046e, 007a mov -(r1),r4
-z-- 0003, 047a, 0000, 0000, 0000, 047c, 046e, 007c mov -(r1),r3
-z-- 0003, 0478, 0000, 0000, 0000, 047c, 046e, 007e mov -(r1),r2
-z-- 0003, 0476, 0000, 0000, 0000, 047c, 046e, 0080 mov r5,r6
---- 0003, 0476, 0000, 0000, 0000, 047c, 047c, 0082 mov (r6)+,r5
-z-- 0003, 0476, 0000, 0000, 0000, 0000, 047e, 0084 rts 0084
2012/3/24
23

JSR – Jump to SubRoutine
jsr src,dst
以下と等価
1. MOV src,-(R6)
srcをスタックにpush
2. MOV PC,src
次の命令のPCをsrcに転送
3. JMP dst

dstにジャンプ

jsr r5,0x006aの処理は以下
1. r5の値をstackに入れて、spを-2 (push)
2. Jsrの次に実行する（戻り先）アドレスをr5に入
れて
3. PCにdstを入れてジャンプ
2012/3/24
24

RTS – ReTurn from Subroutine
rts src
以下と等価
1.
MOV src,PC
2.
MOV (R6)+,src

jsr r7の処理は以下
1.
r7の値をPCに入れて(この場合は意味なし)
2.
スタックの内容+2 (pop) してr7へ
pcの書き換えによりジャンプ


2012/3/24
25

main 引数の設定とfuncの呼出し
# r0 r1 r2 r3 r4 r5 r6 r7
15: 001c,0000,0000,0000,0000,047c,0474,001c sub $6,r6

main
16: 001c,0000,0000,0000,0000,047c,046e,0020 mov $1,-8(r5)
main
17: 001c,0000,0000,0000,0000,047c,046e,0026 mov $2,-a(r5)
main
18: 001c,0000,0000,0000,0000,047c,046e,002c mov -a(r5),(r6)
main
19: 001c,0000,0000,0000,0000,047c,046e,0030 mov -8(r5),-(r6)
main
20: 001c,0000,0000,0000,0000,047c,046c,0034 jsr r7,*$0x0040
main
21: 001c,0000,0000,0000,0000,047c,046a,0042 jsr r5,0x006a

func
#15
#16-17
#18
#19
#20
0x046a
r6→ 0x0038
0x046c
r6→
1
1
0x046e
r6→
r6→
r6→
2
2
2
0x0470
0x0472
2
2
2
2
0x0474
r6→
1
1
1
1
0x0476
0x0478
0x047a
r5→
0x047c
r5→
r5→
r5→
r5→
2012/3/24
26

funcの入り口 (func-csv)
# r0 r1 r2 r3 r4 r5 r6 r7
21: 001c,0000,0000,0000,0000,047c,046a,0042 jsr r5,0x006a func
22: 001c,0000,0000,0000,0000,0046,0468,006a mov r5,r0
func-csv
23: 0046,0000,0000,0000,0000,0046,0468,006c mov r6,r5
func-csv
24: 0046,0000,0000,0000,0000,0468,0468,006e mov r4,-(r6) func-csv
25: 0046,0000,0000,0000,0000,0468,0466,0070 mov r3,-(r6) func-csv
26: 0046,0000,0000,0000,0000,0468,0464,0072 mov r2,-(r6) func-csv
27: 0046,0000,0000,0000,0000,0468,0462,0074 tst -(r6)
func-csv
28: 0046,0000,0000,0000,0000,0468,0460,0076 jmp (r0)
func
#21
#23
#24-26
#27
0x045a
0x045c
0x045e
0x0460
r6→
0x0462
r6→
r2
r2
0x0464
r3
r3
0x0466
r4
r4
0x0468
r6→ 0x047c
r5,r6→ 0x047c
r5→ 0x047c
r5→ 0x047c
0x046a
r6→ 0x0038
0x0038
0x0038
0x0038
0x046c
2012/3/24
27

funcの出口 (func-cret)
# r0 r1 r2 r3 r4 r5 r6 r7
34:0003,0000,0000,0000,0000,0468,0460,005c jmp 0x00078
func
35:0003,0000,0000,0000,0000,0468,0460,0078 mov r5,r1
func-cret
36:0003,0468,0000,0000,0000,0468,0460,007a mov -(r1),r4
func-cret
37:0003,0466,0000,0000,0000,0468,0460,007c mov -(r1),r3
func-cret
38:0003,0464,0000,0000,0000,0468,0460,007e mov -(r1),r2
func-cret
39:0003,0462,0000,0000,0000,0468,0460,0080 mov r5,r6
func-cret
40:0003,0462,0000,0000,0000,0468,0468,0082 mov (r6)+,r5
func-cret
41:0003,0462,0000,0000,0000,047c,046a,0084 rts r7
func-cret
42:0003,0462,0000,0000,0000,047c,046c,0038 tst (r6)+
main
#27-34
#35
#36-38
#39
#40-41
0x045a
0x045c
0x045e
0x0460
r6→
r6→
r6→
0x0462
r2
r2
r1→
r2
0x0464
r3
r3
r3
0x0466
r4
r4
r4
0x0468
r5→ 0x047c r5,r1→ 0x047c
r5→ 0x047c r5,r6→ 0x047c r6→ 0x047c
0x046a
0x0038
0x0038
0x0038
0x0038
0x0038
r6→
0x046c
r6→
2012/3/24
28
r5→

関数とスタック
今のスタックr6:SP
前のスタックr5
r5:r6のペアでチェーン

#20
#21
#27
0x0460
r6→
0x0462
r2
0x0464
r3
0x0466
r4
0x0468
r6→ 0x047c
r5→
0x047c
0x046a
0x0038
0x0038
0x0038
0x046c
1
0x046e
2
0x0470
0x0472
2
0x0474
1
0x0476
0x0478
0x047a
0x047c
r5→
2012/3/24
29

レジスタ r0-r7 もう一度
r0, r1

演算結果の一時的な保持、復帰値など
r2, r3, r4
関数内のローカル変数。呼ばれた関数で退避し、
関数の終了時に復元
R5
フレームポインタ
r6 (sp)

スタックポインタ
r7 (pc)

実行する命令の位置(アドレス)
2012/3/24
30

C言語とasmの実行環境
asmから生成した命令列はスタックを必要と
しない
C言語から生成した命令列は、実行時にス
タックを必要とする
引数の受け渡し利用領域
自動変数の領域
呼び出し元レジスタ(r2,r3,r4)の退避領域
呼び出し先からの復帰アドレスの退避領域

2012/3/24
31

UNIXカーネルを理解するための
2012/3/24
32

getpid(2)の呼び出し C言語
main()
{

int i;

i = getpid();
}
2012/3/24
33

getpid(2)の呼び出し ASM
.globl _main
.text


_main:


~~main:


~i=177770


jsr r5,csv


tst -(sp)


jsr pc,_getpid


mov r0,-10(r5)
L1: jmp cret
.globl
.data

2012/3/24
34

getpid.s /usr/source/s4/getpid.s
getpid = 20.

.globl _getpid

_getpid:
mov r5,-(sp)
mov sp,r5
sys getpid
mov (sp)+,r5
rts pc

2012/3/24
35

getpid.sの実行トレース
3: 001c, 0000, 0000, 0000, 0000, 0446, 043c, 001e jsr r7, 0x00034
4: 001c, 0000, 0000, 0000, 0000, 0446, 043a, 0034 mov r5, -(r6)
5: 001c, 0000, 0000, 0000, 0000, 0446, 0438, 0036 mov r6,r5
6: 001c, 0000, 0000, 0000, 0000, 0438, 0438, 0038 sys getpid
7: 001c, 0000, 0000, 0000, 0000, 0438, 0438, 003a mov (r6)+, r5
8: 001c, 0000, 0000, 0000, 0000, 0446, 043a, 003c rts r7
なんか変じゃない
2012/3/24
36

open(2)の呼び出し C言語
main()
{

int f;

f = open("hoge", 2);
}
2012/3/24
37

open(2)の呼び出し ASM
.globl _main
.text

_main:

~~main:

~f=177770

jsr
r5,csv

tst
-(sp)

mov
$2,(sp)

mov
$L2,-(sp)

jsr
pc,*$_open

tst
(sp)+

mov
r0,-10(r5)
L1: jmp cret
.globl
.data
L2:.byte 150,157,147,145,0

2012/3/24
38

open.s
/usr/source/s5/open.s
globl _open, cerror
_open:

mov r5,-(sp)

mov sp,r5

mov 4(r5),0f

mov 6(r5),0f+2

sys 0; 9f

bec 1f

jmp cerror
1:

mov (sp)+,r5

rts pc
.data
9:

sys open;
0: ..;

..
2012/3/24
39

open.sの実行トレース
# r0 r1 r2 r3 r4 r5 r6 r7
1: 001c, 0000, 0000, 0000, 0000, 0482, 0474, 0034 mov r5,-(r6)
2: 001c, 0000, 0000, 0000, 0000, 0482, 0472, 0036 mov r6,r5
3: 001c, 0000, 0000, 0000, 0000, 0472, 0472 0038 mov 4(r5), 0x008e
4: 001c, 0000, 0000, 0000, 0000, 0472, 0472, 003e mov 6(r5), 0x0090
5: 001c, 0000, 0000, 0000, 0000, 0472, 0472, 0044 sys indir 0x0008c
6: 0003, 0000, 0000, 0000, 0000, 0472, 0472, 0048 bcc 0x0004e
7: 0003, 0000, 0000, 0000, 0000, 0472, 0472, 004e
mov (r6)+, r5
8: 0003, 0000, 0000, 0000, 0000, 0482, 0474, 0050 rts


なんか変じゃない
2012/3/24
40

システムコールとライブラリコール
ライブラリ
マニュアルセクション3
例 fopen(3)
ユーザプログラムの空間で動作
必要に応じてシステムコールを呼び出す
システムコール
マニュアルセクション2
例 open(2)
OS内部の処理を呼び出す
呼出し方法は通常のCall/Returnとは異なる
2012/3/24
41

OSを実装するための
2012/3/24
42

Ｑ：CPUが想定外の状態になると
たとえば以下の場合
不正なアドレスを参照した
未定義の命令を実行しようとした
0で割り算した

次の命令はどこから取り出せばよいか？

2012/3/24
43

A: わな “Trap”を用意しておく
CPUが身動きが取れなかった場合に次に命令
を取り出す場所を“わな”として仕掛けてお
く
システムコールの呼び出しは特殊な「わな」
「わな」はCPUの処理過程に実行時の例外と
して発生する
「わな」に引っかかる事を「例外」と呼ぶ

2012/3/24
44

例外と割り込み
Lions本９章
Trap/例外
命令の実行に失敗した場合の「わな」仕掛ける
システムコールの呼び出しは特殊な「わな」
「わな」はCPUの処理過程で発生する
Interrupt/割り込み
CPUの処理に関係なく、外部からの「割り込み」
主に、外部装置の処理完了時に「割り込む」
外部装置の例
○ テレタイプ、紙テープ、ラインプリンタ、磁気ディ
スク、時計
2012/3
/24
45

2012/3/24
46

例外の流れ
1. 例外/割り込みの発生
2. コンテキストの保存
① PCとPSWをCPU内部に一時的に保存
② 発生の要因を特定し、要因：アドレスの表(ベクター)を
検索
③ ベクターをPCに設定
④ 一時的に保存していたPC,PSWをカーネルスタックに
退避（push）
3. ハンドラの実行
4. コンテキストの復元
① カーネルスタックにPC,PSWが格納されている状態で
rtt命令を実行
② rtt命令がカーネルスタックからPC,PSWを復元(pop)
5. 割り込み発生の次の命令を実行
2012/3/24
47

例外ベクタ
Vector
Trap type
Priority
Location
004
Bus timeout
7
010
Illegal instruction
7
014
bpt-trace
7
020
iot
7
024
Power failure
7
030
Emulator trap
7
034
Trap instruction/ system entry
7
114
11/70 parity
7
240
Programmed interrupt
7
244
Floating point error
7
250
Segmentation violation
7
2012/3/24
48

500

0500 / low core
0501
0505 br7 = 340
0506
0507 . = 0^.
0508 br 1f
0509 4
0510
0511 / trap vectors
0512 trap; br7+0. / bus error
0513 trap; br7+1. / illegal instruction
0514 trap; br7+2. / bpt-trace trap
0515 trap; br7+3. / iot trap
0516 trap; br7+4. / power fail
0517 trap; br7+5. / emulator trap
0518 trap; br7+6. / system entry
2012/3/24
49

752
0752 .globl trap, call
0753 /* -------------- */
0754 .globl _trap
0755 trap:
0756 mov PS,-4(sp)
0757 tst nofault
0758 bne 1f
0759 mov SSR0,ssr
0760 mov SSR2,ssr+4
0761 mov $1,SSR0
0762 jsr r0,call1; _trap
0763 / no return
2012/3/24
50

2693
2693 trap(dev, sp, r1, nps, r0, pc, ps)
2694 {
2695
register i, a;
2696
register struct sysent *callp;
2697
2698
savfp();
2699
if ((ps&UMODE) == UMODE)
2700

dev =| USER; 2750
2702
switch(dev) {
:
2715
default:
2716

printf("ka6 = %o¥n", *ka6);
2717

printf("aps = %o¥n", &ps);
2718

printf("trap type %o¥n", dev);
2719

panic("trap");
2721
case 0+USER: /* bus error *
2722

i = SIGBUS;
2723

break;
2012/3/24
51

2751
2751
case 6+USER: /* sys call */
2752

u.u_error = 0;
2753

ps =& ~EBIT;
2754

callp = &sysent[fuiword(pc-2)&077];

PCは”わな”に落ちた命令の次のアドレス
この命令は２バイトなので２を引いて
ユーザ空間からword(２バイト)を読み
下位６ビットを取り出す
この値をindexにしてsysentを見ると

2012/3/24
52

2906
2906 * to the appropriate routine for processing a system call.
2907 * Each row contains the number of arguments
2908 * and a pointer to the routine.
2909 */
2910 int sysent[]
2911 {
2912

0, &nullsys,
/* 0 = indir */
2913

0, &rexit,
/* 1 = exit */
2914

0, &fork,
/* 2 = fork */
2915

2, &read,
/* 3 = read */
2916

2, &write,
/* 4 = write */
2917

2, &open,
/* 5 = open */
2012/3/24
53

システムコール番号
indir = 0.
exit = 1.
fork = 2.
read = 3.
write = 4.
open = 5.
close = 6.
wait = 7.
creat = 8.
:
:
2012/3/24
54

システムコール呼出し処理
1. C言語で open(“aa”, 2)
2. Libcで sys 5 を実行

sysはemulator trap instruction
3. ユーザプログラム空間から5を取り出して
4. sysent[5]でカーネル内のopen処理を見つけ
5. カーネル内部のopen処理を呼ぶ

2012/3/24
55

2012/3/24
56

割り込みベクタ
Vector
device
priority
Location
060
Teletype input
4
064
Teletype output
4
070
Paper tape input
4
074
Paper tape output
4
100
Line clock
6
104
Programmable clock
6
200
Line printer
4
220
RK disk driver
5
2012/3/24
57

Teletype ?
2012/3/24
58

Paper tape ?
2012/3/24
59

Clocks – line and programmable
Line Clock
電源の周期から生成
ＡＣ>降圧(トランス)>整流(ダイオード)>コンデンサ
電源周波数のパルスを取り出せる
50HZで20ms間隔
昔の電気式デジタル時計はパルスｘHZで1秒を生成
Programmable clock
指定の間隔でパルスを発生
PDP-11ではどちらかが必要
2012/3/24
60

525 low.s
0525: . = 60^.
Vector
device
entry
0526: klin; br4
0527: klou; br4
060
Teletype input
klin
0528:
0529: . = 70^.
064
Teletype output
klou
0530: pcin; br4
070
Paper tape input
pcin
0531: pcou; br4
0532:
074
Paper tape output
pcou
0533: . = 100^.
0534: kwlp; br6
100
Line clock
kwlp
0535: kwlp; br6
104
Programmable clock
kwlp
0539:
0540: . = 200^.
0541: lpou; br4
200
Line printer
lpou
0542:
0543: . = 220^.
220
RK disk driver
rkio
0544: rkio; br5
2012/3/24
61

Line Clock
外部にあるclockから毎秒50個のパルスがCPUに
入る
１パルス毎に割り込みベクタの処理を実行
Clock
CPU
2012/3/24
62

kwlp low.s
0568:
0569: .globl _clock
0570: kwlp: jsr r0,call; _clock

Cで書かれたclock()を呼ぶ
2012/3/24
63

clock
3725: clock(dev, sp, r1, nps, r0, pc, ps)
3761:
3797: if(++lbolt >= HZ) {
3726: {
3762: /*
3798: if((ps&0340) != 0)
3727: register struct callo *p1, *p2;
3763: * callout
3799: return;
3728: register struct proc *pp;
3764: */
3800: lbolt =- HZ;
3729:
3765:
3801: if(++time[1] == 0)
3730: /*
3766: spl5();
3802: ++time[0];
3731: * restart clock
3767: if(callout[0].c_time <= 0) {
3803: spl1();
3732: */
3768: p1 = &callout[0];
3804: if(time[1]==tout[1] && time[0]==tout[0])
3733:
3769: while(p1->c_func != 0 && p1->c_time <= 0) {
3805: wakeup(tout);
3734: *lks = 0115;
3770: (*p1->c_func)(p1->c_arg);
3806: if((time[1]&03) == 0) {
3735:
3771: p1++;
3807: runrun++;
3736: /*
3772: }
3808: wakeup(&lbolt);
3737: * display register
3773: p2 = &callout[0];
3809: }
3738: */
3774: while(p2->c_func = p1->c_func) {
3810: for(pp = &proc[0]; pp < &proc[NPROC]; pp++)
3739:
3775: p2->c_time = p1->c_time;
3811: if (pp->p_stat) {
3740: display();
3776: p2->c_arg = p1->c_arg;
3812: if(pp->p_time != 127)
3741:
3777: p1++;
3813: pp->p_time++;
3742: /*
3778: p2++;
3814: if((pp->p_cpu & 0377) > SCHMAG)
3743: * callouts
3779: }
3815: pp->p_cpu =- SCHMAG; else
3744: * if none, just return
3780: }
3816: pp->p_cpu = 0;
3745: * else update first non-zero time
3781:
3817: if(pp->p_pri > PUSER)
3746: */
3782: /*
3818: setpri(pp);
3747:
3783: * lightning bolt time-out
3819: }
3748: if(callout[0].c_func == 0)
3784: * and time of day
3820: if(runin!=0) {
3749: goto out;
3785: */
3821: runin = 0;
3750: p2 = &callout[0];
3786:
3822: wakeup(&runin);
3751: while(p2->c_time<=0 && p2->c_func!=0)
3787: out:
3823: }
3752: p2++;
3788: if((ps&UMODE) == UMODE) {
3824: if((ps&UMODE) == UMODE) {
3753: p2->c_time--;
3789: u.u_utime++;
3825: u.u_ar0 = &r0;
3754:
3790: if(u.u_prof[3])
3826: if(issig())
3755: /*
3791: incupc(pc, u.u_prof);
3827: psig();
3756: * if ps is high, just return
3792: } else
3828: setpri(u.u_procp);
3757: */
3793: u.u_stime++;
3829: }
3758:
3794: pp = u.u_procp;
3830: }
3759: if((ps&0340) != 0)
3795: if(++pp->p_cpu == 0)
3831: }
3760: goto out;
3796: pp->p_cpu--;

2012/3/24
64

clock
3725: clock(dev, sp, r1, nps, r0, pc, ps)
3761:
3797: if(++lbolt >= HZ) {
3726: {
3762: /*
3798: if((ps&0340) != 0)
3727: register struct callo *p1, *p2;
3763: * callout
3799: return;
3728: register struct proc *pp;
3764: */
3800: lbolt =- HZ;
3729:
3765:
3801: if(++time[1] == 0)
3730: /*
3766: spl5();
3802: ++time[0];
3731: * restart clock
3767: if(callout[0].c_time <= 0) {
3803: spl1();
3732: */
3768: p1 = &callout[0];
3804: if(time[1]==tout[1] && time[0]==tout[0])
3733:
3769: while(p1->c_func != 0 && p1->c_time <= 0) {
3805: wakeup(tout);
3734: *lks = 0115;
3770: (*p1->c_func)(p1->c_arg);
3806: if((time[1]&03) == 0) {
3735:
3771: p1++;
3807: runrun++;
3736: /*
3772: }
3808: wakeup(&lbolt);
3737: * display register
3773: p2 = &callout[0];
3809: }
3738: */
3774: while(p2->c_func = p1->c_func) {
3810: for(pp = &proc[0]; pp < &proc[NPROC]; pp++)
Callout
3739:
3775: p2->c_time = p1->c_time;
3811: if (pp->p_stat) {
3740: display();
3776: p2->c_arg = p1->c_arg;
3812: if(pp->p_time != 127)
3741:
3777: p1++;
3813: pp->p_time++;
3742: /*
3778: p2++;
3814: if((pp->p_cpu & 0377) > SCHMAG)
Sched
3743: * callouts
3779: }
3815: pp->p_cpu =- SCHMAG; else
3744: * if none, just return
3780: }
3816: pp->p_cpu = 0;
3745: * else update first non-zero time
3781:
3817: if(pp->p_pri > PUSER)
3746: */
3782: /*
3818: setpri(pp);
3747:
3783: * lightning bolt time-out
3819: }
の入り口
3748: if(callout[0].c_func == 0)
3784: * and time of day
3820: if(runin!=0) {

3749: goto out;
3785: */
3821: runin = 0;
3750: p2 = &callout[0];
3786:
3822: wakeup(&runin);
3751: while(p2->c_time<=0 && p2->c_func!=0)
3787: out:
3823: }
3752: p2++;
3788: if((ps&UMODE) == UMODE) {
3824: if((ps&UMODE) == UMODE) {
3753: p2->c_time--;
3789: u.u_utime++;
3825: u.u_ar0 = &r0;
Acct
3754:
3790: if(u.u_prof[3])
3826: if(issig())
3755: /*
3791: incupc(pc, u.u_prof);
3827: psig();
3756: * if ps is high, just return
3792: } else
3828: setpri(u.u_procp);
3757: */
3793: u.u_stime++;
3829: }
3758:
3794: pp = u.u_procp;
3830: }
3759: if((ps&0340) != 0)
3795: if(++pp->p_cpu == 0)
3831: }
3760: goto out;
3796: pp->p_cpu--;

2012/3/24
65

謎の変数
u.u_time

u.u_stime

pp->p_time
lbolt


time[2]

tout[2]


2012/3/24
66

callout 構造
struct callo
{
int c_time;

/* ticks between events */
int c_arg;

/* function argument */
int (*c_func)(); /* function pointer */
} callout[NCALL];
2012/3/24
67

clock callout (1/2)
先頭のcalloutが未
3748: if(callout[0].c_func == 0)
登録なら、後続の
3749: goto out;
calloutも未登録と
3750: p2 = &callout[0];
判断して

,Callout

処理をスキップ

3751: while(p2->c_time<=0 && p2->c_func!=0)
3752: p2++;
最初にc_timeが0
3753: p2->c_time--;
より大きいCallout
3758:
を見つけて、
3759: if((ps&0340) != 0)
c_timeを-1
3760: goto out;
ここより前の
3761:
calloutはこの後処
理される
2012/3/24
68

clock callout (2/2)
先頭に登録時間が
過ぎているcallout
3766: spl5();
が存在したら、
3767: if(callout[0].c_time <= 0) {

3768: p1 = &callout[0];
3769: while(p1->c_func != 0 && p1->c_time <= 0) {
3770: (*p1->c_func)(p1->c_arg);
3771: p1++;
処理を実行
3772: }
3773: p2 = &callout[0];
3774: while(p2->c_func = p1->c_func) {
3775: p2->c_time = p1->c_time;
Callout配列を詰め
3776: p2->c_arg = p1->c_arg;
る
3777: p1++;
3778: p2++;
3779: }
3780: }
2012/3/24
69

clock acct
USERモードから
3787: out:
割り込まれたら、
3788: if((ps&UMODE) == UMODE) {
uのuser時間
3789: u.u_utime++;
u_utimeを+1
3790: if(u.u_prof[3])
3791: incupc(pc, u.u_prof);
KERNELモードか
3792: } else
ら割り込まれたら、
3793: u.u_stime++;
uのsystem時間

u_stimeを+1

3794: pp = u.u_procp;
Procのp_cpuを加
3795: if(++pp->p_cpu == 0)
3796: pp->p_cpu--;
算。オーバフロー

しないように調整
ppはproc構造のポインタ、uはuser構造。共
にプロセスの管理構造１プロセスに1個づつ
2012/3/24
70

clock schedの入り口(1/2)
clockが呼ばれると、ここまでは必
3797: if(++lbolt >= HZ) {
ず実行。lboltを+1して、HZ(50)を
3798: if((ps&0340) != 0)
超過したら、すなわち１秒経過し
3799: return;
たら、
3800: lbolt =- HZ;
3801: if(++time[1] == 0)
3802: ++time[0];
lboltをリセット
3803: spl1();
3804: if(time[1]==tout[1] && time[0]==tout[0])
3805: wakeup(tout);
寝ているプロセスを起こす
3806: if((time[1]&03) == 0) {
3807: runrun++;
3808: wakeup(&lbolt);
４秒ごとに
3809: }
lboltで待ってるプロセ

スを起こす
今回はさらりと流す
2012/3/24
71

clock schedの入り口(2/2)
3810: for(pp = &proc[0]; pp < &proc[NPROC]; pp++)
プロセスの管理構造の配
3811: if (pp->p_stat) {
列をスキャン
3812: if(pp->p_time != 127)
3813: pp->p_time++;
3814: if((pp->p_cpu & 0377) > SCHMAG)
p _statに値が入っている=プロ
3815: pp->p_cpu =- SCHMAG; else セスが存在したら、p_timeを
3816: pp->p_cpu = 0;
+1
3817: if(pp->p_pri > PUSER)
3818: setpri(pp);
3819: }
3820: if(runin!=0) {
3821: runin = 0;
runinが真なら、runinで待って
3822: wakeup(&runin);
るプロセスを
3823: }
wakeup
3824: if((ps&UMODE) == UMODE) {
3825: u.u_ar0 = &r0;
3826: if(issig())
3827: psig();
3828: setpri(u.u_procp);
3829: }
3830:
2012/3/2
4
}
72
3831: }

謎の変数 回答
u.u_time
USER時間
u.u_stime
SYSTEM時間
pp->p_time プロセス起動からの時間
lbolt

毎秒60回++
time[2]
1970年からの秒
tout[2]
sleep(2)が起きる時間

2012/3/24
73

Unix のPPDA (PerProcDataArea)
User構造体 user.h
The user structure. One allocated per process.
Contains all per process data that doesn't need
to be referenced while the process is swapped.
Proc構造体 proc.h
One structure allocated per active process. It
contains all data needed about the process while
the process may be swapped out. Other per
process data (user.h) is swapped with the
process.
2012/3/24
74

2012/3/24
75

a.outと空間の関係
CPU
PC
a.out
header
text
text
data
data
bss
exec(2)
・関数を呼
び出すと自
3076 /* read in first 8 bytes
動的に割り
3077 * of file for segment
当てる。
3078 * sizes:
・呼び出し
3079 * w0 = 407/410/411
からの復帰
3080 * w1 = text size
3081 * w2 = data size
に備えてレ
3082 * w3 = bss size
stack
ジスタの内
3083 */
容を退避。
2012/3/24
76

例外/割り込みが起こると……..
•PSWのモードがユーザモー
CPU
ドからカーネルモードに変わ
PC
り、空間が切り替わる。
①
②
•事象に応じて、ベクター
テーブルの値がPCに書き込
text
text
③
まれる。
A

•例外
data
data
/割り込み発生時のPSW
とPC(図中A)をスタックに
pushする
bss
bss
アプリケーション
カーネル
アプリケーションと
カーネル
stack
stack
２つの空間？？
2012/3/24
77

仮想アドレスと物理アドレス
現在の一般的な仮想記憶
仮想アドレス＞物理アドレス
仮想メモリ量＞物理メモリ量
実メモリ不足時は固定長(ページ)単位で２次記憶に退避
し必要時に復元
→ページング
PDP-11の仮想記憶
仮想アドレス＜物理アドレス
仮想メモリ量＜物理メモリ量
実メモリ不足時はプロセス全体を2次記憶に退避し実行
を抑止、一定時間経過後に全体を復元し実行可能に
→スワッピング
2012/3/24
78

仮想記憶のための仕組み
ハードウェアのサポートが必要
仮想アドレス→物理アドレスの変換機構


CPU
memory
変換機構なし
CPU
変換表
memory
変換機構あり
2012/3/24
79

アドレス変換機構の制御
リセット後は変換機構OFFで動作
OSの初期化時にプログラムで
1. 変換表を初期化
2. 変換機構をON
新しいプロセスの生成とメモリ獲得時に

OSが変換表を編集
プロセスの切り替え時に

変換表を入れ替え
2012/3/24
80

PDP-11/40のメモリ管理機構
８個のカーネルモードページ
８個のユーザモードページ
1ページは最大8Kbyteの可変長
モード切り替えはPSWのモードに連動
2012/3/24
81

Active Page Registers (APR)
2012/3/24
82

APR- PARとPDRのペア
PAR ベースアドレスを指定
PDR メモリ属性を指定
2012/3/24
83

仮想記憶の有効化





bit0 ENABLE MANAGEMENTを1で有効
2012/3/24
84

重要なアドレス m40.s
USIZE = 16
Size of User Block (*64 = 1024 B)
PS
= 177776
Program Status Word
SSR0 = 177572
Status Register
KISA0 = 172340
Kernel Segment Address Register #0
KISA6 = 172354
Kernel Segment Address Register #6
KISD0 = 172300
Kernel Segment Descriptor Register #0
UISA0 = 177640
User Segment Address Register #0
UISA1 = 177642
User Segment Address Register #1
UISD0 = 177600
User Segment Descriptor Register #0
UISD1 = 177602
User Segment Descriptor Register #1
IO
= 7600
I/O Segment Register



2012/3/24
85

start 仮想空間の設定
0612: start:
0613: bit $1,SSR0
0614: bne start / loop if restart
0615: reset
0616:
0617: / initialize systems segments
0618:
0619: mov $KISA0,r0
0620: mov $KISD0,r1
0621: mov $200,r4
0622: clr r2
0623: mov $6,r3
0624: 1:
0625: mov r2,(r0)+
0626: mov $77406,(r1)+ / 4k rw
0627: add r4,r2
0628: sob r3,1b

2012/3/24
86

ユーザ空間の初期化 start
0630: / initialize user segment
0631:
0632: mov $_end+63.,r2
0633: ash $-6,r2
0634: bic $!1777,r2
0635: mov r2,(r0)+ / ksr6 = sysu
0636: mov $usize-1¥<8|6,(r1)+
0637:
0638: / initialize io segment
0639: / set up counts on supervisor segments
0640:
0641: mov $IO,(r0)+
0642: mov $77406,(r1)+ / rw 4k
0643:
0644: / get a sp and start segmentation
0645:
0646: mov $_u+[usize*64.],sp
0647: inc SSR0


2012/3/24
87

bssとuのクリア
0646: mov $_u+[usize*64.],sp
0647: inc SSR0
0648:
0649: / clear bss
0650:
0651: mov $_edata,r0
0652: 1:
0653: clr (r0)+
0654: cmp r0,$_end
0655: blo 1b
0656:
0657: / clear user block
0658:
0659: mov $_u,r0
0660: 1:
0661: clr (r0)+
0662: cmp r0,$_u+[usize*64.]
0663: blo 1b
2012/3/24
88

mainの呼び出し
0665: / set up previous mode and call main
0666: / on return, enter user mode at 0R
0667:
0668: mov $30000,PS
0669: jsr pc,_main
0670: mov $170000,-(sp)
0671: clr -(sp)
0672: rtt

2012/3/24
89

最初のプロセスを生成
1627: if(newproc()) {
1628: expand(USIZE+1);
1629: estabur(0, 1, 0, 0);
1630: copyout(icode, 0, sizeof icode);
1631: /*
1632: * Return goes to loc. 0 of user init
1633: * code just copied out.
1634: */
1635: return;
1636: }
1637: sched();

2012/3/24
90

icode
1511: /*
1512: * Icode is the octal bootstrap
1513: * program executed in user mode
1514: * to bring up the system.
1515: */
1516: int icode[]
1517: {
1518: 0104413, /* sys exec; init; initp */
1519: 0000014,
1520: 0000010,
char* init = “/etc/init”;
1521: 0000777, /* br . */
1522: 0000014, /* initp: init; 0 */
main( ) {
1523: 0000000,

execl( init, init, 0 );
1524: 0062457, /* init: </etc/init¥0> */

while( 1 ) ;
1525: 0061564,
1526: 0064457,
}
1527: 0064556,
1528: 0000164,
1529: };

2012/3/24
91

Bootと空間の初期化
Boot直後
仮想記憶有効
最初のnewproc
最初のexec
Initの実行
text
text
text
text
text
data
data
data
data
data
bss
bss
bss
bss
u
user
user
user
user
user
user
IOレジスタ
IOレジスタ
IOレジスタ
IOレジスタ
icode
exec
text
data
bss
stack
2012/3/24
92

Unixの空間モデル
アプリとカーネルのアドレス域は分離
後に完全な仮想記憶サポートで少し変わる
各アプリケーションの空間は独立
カーネルの空間は
Text,Data,Bssは一部を除いて共有
Stackはアプリ毎に個別
Stackはstruct userのページの後半

2012/3/24
93

UNIXカーネルの構造
2012/3/24
94

PPDA - Per Processor Data Area
OSを読み解く場合に最初に注目する構造
プロセスなどの実行単位毎に割り当てる領域
UNIXの場合はuserとproc



2012/3/24
95

struct user
0413 struct user
0414 {
0415 int u_rsav[2]; /* save r5,r6 when exchanging stacks */
0416 int u_fsav[25]; /* save fp registers */
0417 /* rsav and fsav must be first in structure */
0418 char u_segflg; /* flag for IO; user or kernel space */
0419 char u_error; /* return error code */
0420 char u_uid; /* effective user id */
0421 char u_gid; /* effective group id */
0422 char u_ruid; /* real user id */
0423 char u_rgid; /* real group id */
0424 int u_procp; /* pointer to proc structure */
0436 int u_uisa[16]; /* prototype of segmentation addresses */
043 int u_uisd[16]; /* prototype of segmentation descriptors */
2012/3/24
96

struct proc
0358 struct proc
0359 {
0360 char p_stat;
0361 char p_flag;
0362 char p_pri; /* priority, negative is high */
0363 char p_sig; /* signal number sent to this process */
0364 char p_uid; /* user id, used to direct tty signals */
0365 char p_time; /* resident time for scheduling */
0366 char p_cpu; /* cpu usage for scheduling */
0367 char p_nice; /* nice for scheduling */
0368 int p_ttyp; /* controlling tty */
0369 int p_pid; /* unique process id */
0370 int p_ppid; /* process id of parent */
0371 int p_addr; /* address of swappable image */
0372 int p_size; /* size of swappable image (*64 bytes) */
0373 int p_wchan; /* event process is awaiting */
0374 int *p_textp; /* pointer to text structure */
0376 } proc[NPROC];
2012/3/24
97

空間の切り替え機構
CPU
PC
アプリケーション
カーネル
PSW
text
00: カーネルモード
text
11: ユーザモード
data
11用
00用
data
APR0
APR0
APR1
APR1
bss
bss
APR2
APR2
APR3
APR3
APR4
APR4
APR5
APR5
APR6
APR6
struct user
stack
APR7
APR7
stack
I/Oレジスタ
2012/3/24
98

アプリケーションの動作時
•PSWのモードはユーザ
PSW
PC
•PCはアプリのtextセグメントを指す
text
data
bss
user
user
user
user
kstack
kstack
kstack
kstack
IOレジスタ
１ text
text
text
text
data
data
data
data
bss
bss
bss
bss
stack
stack
stack
stack
2012/3/24
99

割り込みの発生－空間の切り替え
PSW
PC
•PSWのモードがカーネルに
•アドレス空間の制御レジスタ
text
がカーネルモードに切り替わる
data
bss
user
user
user
user
kstack
kstack
kstack
kstack
IOレジスタ
１ text
text
text
text
data
data
data
data
bss
bss
bss
bss
stack
stack
stack
stack
2012/3/24
100

割り込みの発生－割り込みベクタ
PSW
PC
•割り込みベクタのエントリを
text
選択してPCに
data
bss
user
user
user
user
kstack
kstack
kstack
kstack
IOレジスタ
１ text
text
text
text
data
data
data
data
bss
bss
bss
bss
•１のアドレスとpswをスタック
stack
stack
stack
stack
に退避
2012/3/24
101

割り込みの発生－割り込みベクタ
PSW
PC
•割り込みベクタのエントリを
text
選択してPCに
data
bss
Vector
device
004
Bus Timeout
user
user
010
Illegal instruuser
ction
user
kstack
kstack
014
Bpt-trace kstack
kstack
024
iot
Vector
device
entry
IOレジスタ
034
Power failur
060
Teletype input
klin
114
Emulator tarp
064
Teletype output
klou
１ text
text instruction text 070
Pa text
per ta
pe input
pcin
data
dat
240
a 11/10 parity dat

a 074
Padat
per t a
ap
e output
pcou
bss
bss
244
Floting point bss
error
bss
100
Line clock
kwlp
250
Segmentation violation
104
Programmable clock
kwlp
stack
stack
stack 200
Li stack
ne printe
r
lpou
220
RK disk driver
rkio
2012/3/24
102

割り込みの発生ーハンドラの処理
PSW
PC
２
text
data
bss
user
user
user
user
kstack
kstack
kstack
kstack
IOレジスタ
text
text
text
text
data
data
data
data
bss
bss
bss
bss
stack
stack
stack
stack
2012/3/24
103

割り込みのからの復帰
PSW
PC
カーネル用
APR0
text
APR1
data
APR2
bss
APR3
APR4
APR5
user
user
user
user
APR6
APR7
kstack
kstack
kstack
kstack
IOレジスタ
アプリ用
•処理が終わったら、スタックのPCと
１
PSW復元して割り込み時点に復帰
APR0
text


text
text
text
APR1
data
data
data
data
APR2
bss
bss
bss
bss
APR3
APR4
APR5
stack
stack
stack
stack
APR6
APR7
2012/3/24
104

以上の説明は、割り込み発生時から、復帰ま
でにプロセスの切り替えが発生しない場合
条件によっては以下の処理でプロセスの切り
替えが発生
1. procの検索と選択
2. user構造の切り替え
3. User構造＋kstackに退避した状態の復元
4. アプリへの復帰
2012/3/24
105

プロセスの切り替えー選択
PSW
PC
Procの検索（スケジューラ）
text
data
↑次に動かすアプリ（プロセス）
bss
のprocを見つける
user
user
user
user
kstack
kstack
kstack
kstack
IOレジスタ
text
text
text
text
data
data
data
data
bss
bss
bss
bss
stack
stack
stack
stack
2012/3/24
106

プロセスの切り替えーuserの切り替え
PSW
PC
text
data
proc
bss
user
user
user
user
kstack
kstack
kstack
kstack
IOレジスタ
text
text
text
text
data
data
data
data
bss
bss
bss
bss
stack
stack
stack
stack
2012/3/24
107

プロセスの切り替えーuserの切り替え
PSW
PC
text
data
proc
bss
user
user
user
user
kstack
kstack
kstack
kstack
IOレジスタ
アプリ用
空間管理用のレジスタを更新
APR0
text
text
text
text
APR1
data
data
data
data
APR2
bss
bss
bss
bss
APR3
APR4
APR5
stack
stack
stack
stack
APR6
APR7
2012/3/24
108

プロセスの切り替えーモードの切り替え
•PSWをユーザに切り替え
PSW
PC
•PCを復元
•退避していた、PCとレジスタを復元
text
data
proc
bss
user
user
user
user
kstack
kstack
kstack
kstack
IOレジスタ
アプリ用
APR0
text
text
text
text
APR1
data
data
data
data
APR2
bss
bss
bss
bss
APR3
APR4
APR5
stack
stack
stack
stack
APR6
APR7
2012/3/24
109

プロセスの切り替えー完了
PSW
PC
text
data
proc
bss
user
user
user
user
kstack
kstack
kstack
kstack
IOレジスタ
アプリ用
APR0
text
text
text
text
APR1
data
data
data
data
APR2
bss
bss
bss
bss
APR3
APR4
APR5
stack
stack
stack
stack
APR6
APR7
2012/3/24
110

swtch 1/3
2178: swtch()
2179: {
2180: static struct proc *p;
2181: register i, n;
2182: register struct proc *rp;
2183:
2184: if(p == NULL)
2185: p = &proc[0];
2186: /*
2187: * Remember stack of caller
2188: */
2189: savu(u.u_rsav);
/* save r5,r6 when exchanging stacks */

2190: /*
2191: * Switch to scheduler's stack
2192: */
2193: retu(proc[0].p_addr);
/* address of swappable image */
2012/3/24
111

swtch 2/3
2195: loop:
2196: runrun = 0;
2197: rp = p;
2198: p = NULL;
2199: n = 128;
2203: i = NPROC;
2204: do {
2205: rp++;
2206: if(rp >= &proc[NPROC])
2207: rp = &proc[0];
2208: if(rp->p_stat==SRUN && (rp->p_flag&SLOAD)!=0) {
2209: if(rp->p_pri < n) {
2210: p = rp;
2211: n = rp->p_pri;
2212: }
2213: }
2214: } while(--i);
2012/3/24
112

swtch 3/3
2223: rp = p;
2224: curpri = n;
2225: /* Switch to stack of the new process and set up
2226: * his segmentation registers.
2227: */
2228: retu(rp->p_addr);

/* address of swappable image */
2229: sureg();
2247: return(1);
2012/3/24
113

あやしい関数
2189: savu(u.u_rsav);
今のプロセスのr5,r6をuに退避
2193: retu(proc[0].p_addr);
uをproc0に
2228: retu(rp->p_addr);
uを切り替えるプロセスに
2229: sureg();

uに退避してあるAPRをハードのARPに設定
2012/3/24
114

savu
0725: _savu:
0726: bis $340,PS
0727: mov (sp)+,r1
0728: mov (sp),r0
0729: mov sp,(r0)+
bis $340,PSでbit5-7を１に
0730: mov r5,(r0)+
bic $340,PSでbit5-7を0に
0731: bic $340,PS
0732: jmp (r1)
725:
727-728:
729-730:
732:
r0 u.u_rsav
戻り先
r1

戻り先
r6→
戻り先
u.
u.u_rsav
u.u_rsav
r6→
sp
r5
戻り先
r1

2012/3/24
115

retu
0740: _retu:
0745: 1:
0741: bis $340,PS
0746: mov (r0)+,sp
0742: mov (sp)+,r1
0747: mov (r0)+,r5
0743: mov (sp),KISA6
0748: bic $340,PS
0744: mov $_u,r0
0749: jmp (r1)
0413 struct user
0414 {
0415 int u_rsav[2]/* save r5,r6 when exchanging stacks */
742:
743-744:
746-747:
u.
sp
戻り先
r6→
戻り先
r5
p_addr
p_addr
r6→
r6→
カーネル用
p_addr
r6→
APR0
APR1
APR2
APR3
APR4
戻り先
r1
APR5
戻り先
r1 戻り先
r6
sp
p_addr
APR7
r0 u.u_rsav
r0 u.u_rsav
r5
r5
2012/3/24
116

sureg
1739: sureg()
1747: up =- 8;
1740: {
1748: rp =- 8;
1741: register *up, *rp, a;
1749: }
1742:
1750: while(rp > &UISA->r[0])
1743: a = u.u_procp->p_addr;
1751: *--rp = *--up + a;
1744: up = &u.u_uisa[16];
1754: up = &u.u_uisd[16];
1745: rp = &UISA->r[16];
1755: rp = &UISD->r[16];
1746: if(cputype == 40) {
1765: }
アプリ用
APR0
APR1
u.u_uisa[0-7]
APR2
APR3
u.u_uisd[0-7]
アプリの空間を設定
APR4
APR5
APR6
APR7
2012/3/24
117

2012/3/24
118

勉強会の記録
日本Androidの会 沖縄支部 workshop@Naha Vol.17
http://atnd.org/events/25533
http://togetter.com/li/278270
横浜Androidプラットフォーム第19回勉強会
http://atnd.org/events/26444
http://togetter.com/li/281856

2012/3/24
119

付録2 よくわかんない人のための
2012/3/24
120

Simhのインストールと起動
Ubuntuの場合
$ sudo apt-get install simh
pdp-11のシュミレーション
$ pdp11
PDP-11 simulator V3.8-1
sim>
2012/3/24
121

Unix v6のダウンロード
simh用Diskイメージのアーカイブ
http://simh.trailing-edge.com/software.html
V6のイメージは以下
http://simh.trailing-edge.com/kits/uv6swre.zip
ダウンロード
$ wget http://simh.trailing-edge.com/kits/uv6swre.zip
2012/3/24
122

Diskイメージの展開
$ unzip uv6swre.zip
Archive: uv6swre.zip
inflating: README.txt
inflating: unix3_v6_rk.dsk
inflating: unix1_v6_rk.dsk
inflating: unix2_v6_rk.dsk
inflating: unix0_v6_rk.dsk
inflating: AncientUnix.pdf
$
2012/3/24
123

設定ファイルの作成
uv6swre.zipを展開したディレクトリで以下の
ファイルunixv6.cfを作成
$cat unixv6.cfg
set cpu 11/40
set cpu u18
att rk0 unix0_v6_rk.dsk
att rk1 unix1_v6_rk.dsk
att rk2 unix2_v6_rk.dsk
att rk3 unix3_v6_rk.dsk
boot rk0
$
2012/3/24
124

Simhの起動
$ pdp11 unixv6.cfg

PDP-11 simulator V3.8-1
Disabling XQ
@unix

Login: root
#
2012/3/24
125

Simhのdebug機能
simhモードへの移行と復帰
# Ctrl+E
Simulation stopped, PC: 021630 (MOV
(SP)+,177776)
sim> c
#
simhモードへはCtrl+Eで
シミュレーションモードへはcで
2012/3/24
126

ディバック機能を使う
カーネルのシンボルアドレスを調べる
# chdir /
# nm unix | grep savu
021636T _savu
#
savu()のアドレスは021636, breakpointを指定する
# Ctrl+E
Simulation stopped, PC: 021630 (MOV (SP)+,177776)
sim> break 021636
sim> c

Breakpoint, PC: 021636 (SPL 6)
savu()で止まった
sim>

2012/3/24
127

step実行
Breakpoint, PC: 021636 (SPL 6)
sim> e r5,sp,pc
R5: 141742
SP: 141730
PC: 021636
sim> s
0725: _savu:

Step expired, PC: 021640 (MOV (SP)+,R1)
sim> s
0726: bis $340,PS

Step expired, PC: 021642 (MOV (SP),R0)
0727: mov (sp)+,r1
sim> s

Step expired, PC: 021644 (MOV SP,(R0)+)
0728: mov (sp),r0
sim> s

0729: mov sp,(r0)+
Step expired, PC: 021646 (MOV R5,(R0)+)
sim> s
0730: mov r5,(r0)+

Step expired, PC: 021650 (SPL 0)
sim> s
0731: bic $340,PS

Step expired, PC: 021652 (JMP (R1))
0732: jmp (r1)

2012/3/24
128

レジスタの調べ方
/usr/share/doc/simh/simh_doc.pdfで説明
e {xamine} <list> examine memory or registers
sim> e state // レジスタ等すべてを表示
PC:
021630
V:
0
KIPDR4:
077406
SIPDR4:
000000
UIPDR4:
000000
R0:
140004
C:
0
KIPAR5:
001416
SIPAR5:
000000
UIPAR5:
000000
R1:
034272
PIRQ:
000000
KIPDR5:
077406
SIPDR5:
000000
UIPDR5:
000000
R2:

005336
STKLIM:
000000
KIPAR6:
001616
SIPAR6:
000000
UIPAR6:
000000
R3:
000200
FAC0H:
00000000000
KIPDR6:
077406
SIPDR6:
000000
UIPDR6:
000000
R4:
000000
FAC0L:
00000000000
KIPAR7:
007600
SIPAR7:
000000
UIPAR7:
001541
R5:
141724
FAC1H:
00000000000
KIPDR7:
077506
SIPDR7:
000000
UIPDR7:
066016
SP:
141710
FAC1L:
00000000000
KDPAR0:
000000
SDPAR0:
000000
UDPAR0:
001714
R00:
140004
FAC2H:
00000000000
KDPDR0:
077506
SDPDR0:
000000
UDPDR0:
000006
R01:
034272
FAC2L:
00000000000
KDPAR1:
000200
SDPAR1:
000000
UDPAR1:
000000
R02:
005336
FAC3H:
00000000000
KDPDR1:
077506
SDPDR1:
000000
UDPDR1:
000000
R03:
000200
FAC3L:
00000000000
KDPAR2:
000400
SDPAR2:
000000
UDPAR2:
000000
R04:
000000
FAC4H:
00000000000
KDPDR2:
077506
SDPDR2:
000000
UDPDR2:
000000
R05:
141724
FAC4L:
00000000000
KDPAR3:
000600
SDPAR3:
000000
UDPAR3:
000000
R10:
000000
FAC5H:
00000000000
KDPDR3:
077406
SDPDR3:
000000
UDPDR3:
000000
R11:
000000
FAC5L:
00000000000
KDPAR4:
001000
SDPAR4:
000000
UDPAR4:
000000
R12:
000000
FPS:
000004
KDPDR4:
077406
SDPDR4:
000000
UDPDR4:
000000
R13:
000000
FEA:
000000
KDPAR5:
001200
SDPAR5:
000000
UDPAR5:
000000
R14:
000000
FEC:
00
KDPDR5:
077406
SDPDR5:
000000
UDPDR5:
000000
R15:
000000
MMR0:
000201
KDPAR6:
001171
SDPAR6:
000000
UDPAR6:
000000
KSP:
141710
MMR1:
000000
KDPDR6:
077506
SDPDR6:
000000
UDPDR6:
000000
SSP:
000000
MMR2:
021626
KDPAR7:
007600
SDPAR7:
000000
UDPAR7:
001541
USP:
177756
MMR3:
000005
KDPDR7:
077506
SDPDR7:
000000
UDPDR7:
066016
PSW:
030000
KIPAR0:
000000
SIPAR0:
003612
UIPAR0:
001714
IREQ[0]:
00000000000
CM:
0
KIPDR0:
077406
SIPDR0:
000106
UIPDR0:
000006
TRAPS:
00000
PM:
3
KIPAR1:
000416
SIPAR1:
003700
UIPAR1:
000000
WAIT:
1
RS:
0
KIPDR1:
077506
SIPDR1:
000106
UIPDR1:
000000
STOP_TRAPS:
00001
FPD:
0
KIPAR2:
000616
SIPAR2:
000000
UIPAR2:
000000
STOP_VECA:
1
IPL:
0
KIPDR2:
077506
SIPDR2:
000000
UIPDR2:
000000
STOP_SPA:
1
T:
0
KIPAR3:
001016
SIPAR3:
000000
UIPAR3:
000000
PCQ[0]:
034412
N:
0
KIPDR3:
077506
SIPDR3:
000000
UIPDR3:
000000
WRU:
005
Z:
0
KIPAR4:
001216
SIPAR4:
000000
UIPAR4:
000000
2012/3/24
129

必要な内容に絞り込む
PC,R0～R5,SP(KSP,USP)
PSW
KDPAR0～7
UDPAR0～7
PC:
021630
V:
0
KIPDR4:
077406
SIPDR4:
000000
UIPDR4:
000000
R0:
140004
C:
0
KIPAR5:
001416
SIPAR5:
000000
UIPAR5:
000000
R1:
034272
PIRQ:
000000
KIPDR5:
077406
SIPDR5:
000000
UIPDR5:
000000
R2:

005336
STKLIM:
000000
KIPAR6:
001616
SIPAR6:
000000
UIPAR6:
000000
R3:
000200
FAC0H:
00000000000
KIPDR6:
077406
SIPDR6:
000000
UIPDR6:
000000
R4:
000000
FAC0L:
00000000000
KIPAR7:
007600
SIPAR7:
000000
UIPAR7:
001541
R5:
141724
FAC1H:
00000000000
KIPDR7:
077506
SIPDR7:
000000
UIPDR7:
066016
SP:
141710
FAC1L:
00000000000
KDPAR0:
000000
SDPAR0:
000000
UDPAR0:
001714
R00:
140004
FAC2H:
00000000000
KDPDR0:
077506
SDPDR0:
000000
UDPDR0:
000006
R01:
034272
FAC2L:
00000000000
KDPAR1:
000200
SDPAR1:
000000
UDPAR1:
000000
R02:
005336
FAC3H:
00000000000
KDPDR1:
077506
SDPDR1:
000000
UDPDR1:
000000
R03:
000200
FAC3L:
00000000000
KDPAR2:
000400
SDPAR2:
000000
UDPAR2:
000000
R04:
000000
FAC4H:
00000000000
KDPDR2:
077506
SDPDR2:
000000
UDPDR2:
000000
R05:
141724
FAC4L:
00000000000
KDPAR3:
000600
SDPAR3:
000000
UDPAR3:
000000
R10:
000000
FAC5H:
00000000000
KDPDR3:
077406
SDPDR3:
000000
UDPDR3:
000000
R11:
000000
FAC5L:
00000000000
KDPAR4:
001000
SDPAR4:
000000
UDPAR4:
000000
R12:
000000
FPS:
000004
KDPDR4:
077406
SDPDR4:
000000
UDPDR4:
000000
R13:
000000
FEA:
000000
KDPAR5:
001200
SDPAR5:
000000
UDPAR5:
000000
R14:
000000
FEC:
00
KDPDR5:
077406
SDPDR5:
000000
UDPDR5:
000000
R15:
000000
MMR0:
000201
KDPAR6:
001171
SDPAR6:
000000
UDPAR6:
000000
KSP:
141710
MMR1:
000000
KDPDR6:
077506
SDPDR6:
000000
UDPDR6:
000000
SSP:
000000
MMR2:
021626
KDPAR7:
007600
SDPAR7:
000000
UDPAR7:
001541
USP:
177756
MMR3:
000005
KDPDR7:
077506
SDPDR7:
000000
UDPDR7:
066016
PSW:
030000
KIPAR0:
000000
SIPAR0:
003612
UIPAR0:
001714
IREQ[0]:
00000000000
CM:
0
KIPDR0:
077406
SIPDR0:
000106
UIPDR0:
000006
TRAPS:
00000
PM:
3
KIPAR1:
000416
SIPAR1:
003700
UIPAR1:
000000
WAIT:
1
RS:
0
KIPDR1:
077506
SIPDR1:
000106
UIPDR1:
000000
STOP_TRAPS:
00001
FPD:
0
KIPAR2:
000616
SIPAR2:
000000
UIPAR2:
000000
STOP_VECA:
1
IPL:
0
KIPDR2:
077506
SIPDR2:
000000
UIPDR2:
000000
STOP_SPA:
1
T:
0
KIPAR3:
001016
SIPAR3:
000000
UIPAR3:
000000
PCQ[0]:
034412
N:
0
KIPDR3:
077506
SIPDR3:
000000
UIPDR3:
000000
WRU:
005
Z:
0
KIPAR4:
001216
SIPAR4:
000000
UIPAR4:
000000
2012/3/24
130

レジスタの指定方法
Stateの表示順に’-’で範囲を指定
sim> e pc-sp
PC: 021630
R0: 140004
R1: 034272
R2: 005336
R3: 000200
R4: 000000
R5: 141724
SP: 141710
2012/3/24
131

MMUレジスタの指定方法
Stateの表示順に’-’で範囲を指定
sim> e KDPAR0-KDPDR7
KDPAR0:
000000
KDPDR0:
077506
KDPAR1:
000200
KDPDR1:
077506
Pdp11/40では、
KDPAR2:
000400
KDPDR2:
077506
KPAR,KPDRと呼んでい
KDPAR3:
000600
たが、simhでは上位機種
KDPDR3:
077406
KDPAR4:
001000
のレジスタ名で表示され
KDPDR4:
077406
るので、
KDPAR5:
001200
KDPAR,KDPDR
KDPDR5:
077406
と読み替える
KDPAR6:
001171
KDPDR6:
077506
KDPAR7:
007600
KDPDR7:
077506

2012/3/24
132

メモリの調べ方
sim> e 0
// アドレス０を表示
0: 000417
sim> e 0/4
// アドレス0から4バイトを表示
0: 000417
2: 000004
sim> e 0-2
// アドレス0から2までを表示
0: 000417
2: 000004

2012/3/24
133

表示フォーマットの指定
-a ASCIIで表示
-c 文字列で表示
-m 命令列で表示
-o 8進で表示
-x 16進で表示

sim> e -m 54104/20
54104:
000013
54106:
MOV R0,-(SP)
54110:
BIC #177400,(SP)
54114:
JSR PC,@#22100
54120:
ADD #6,SP
2012/3/24
134

シンボルからアドレスを調べる
sim> c



//unixに戻る
# nm /unix | grep main
// mainのアドレス
022272T _main
# nm /unix | grep proc
034476T _newproc
005206B _proc
043170T _procxmt

2012/3/24
135

mainでbreakしてMMUを調べる
sim> break 022272
sim> boot rk0
@unix

Breakpoint, PC: 022272 (JSR R5,22240)
sim> e KDPAR0-KDPDR7
KDPAR0: 000000
KDPDR0: 077506
KDPAR1: 000200
KDPDR1: 077506
KDPAR2: 000400
KDPDR2: 077506
KDPAR3: 000600
KDPDR3: 077406
KDPAR4: 001000
KDPDR4: 077406
KDPAR5: 001200
KDPDR5: 077406
KDPAR6: 001171
KDPDR6: 077506
KDPAR7: 007600
KDPDR7: 077506
sim>


2012/3/24
136

自分のprocを見る#1
# nm /unix | grep _write
054124T _write
031700T _writei
Shellが#をwriteする箇所(カーネ
ルのエントリ)でbreakする
050176T _writep
#
Simulation stopped, PC: 021630 (MOV (SP)+,177776)
sim> break 54124
sim> c
[Enter]
Breakpoint, PC: 054124 (JSR R5,22240)
sim>
2012/3
/24
137

自分のprocを見る#2
procのアドレスはu.u_procpでわかる
uは常にカーネル仮想の140000番地
一方でsimhのdebug機能は仮想アドレスを扱
えない
自分で変換する
sim> e KDPAR6
KDPAR6: 001477 // 64バイトを1単位とした値
64バイト＝6ビットシフト＝８進数で00
Userは00147700にあるはず
2012/3
/24
138

自分のprocを見る#3
sim> e 147700/100
147700: 141746 u_rsav[0]
147702: 141756 u_rsav[1]
147704: 000200 u_fsav[0]
0413: struct user
147706: 000000 1
0414: {
0415: int u_rsav[2]; /* save r5,r6 when exchanging stacks */
147710: 000000 2
0416: int u_fsav[25]; /* save fp registers */
0417: /* rsav and fsav must be first in structure */
147712: 000000 3
0418: char u_segflg; /* flag for IO; user or kernel space */
0419: char u_error; /* return error code */
147714: 000000 4
0420: char u_uid; /* effective user id */
0421: char u_gid; /* effective group id */
147716: 000000 5
0422: char u_ruid; /* real user id */
:
0423: char u_rgid; /* real group id */
0424: int u_procp; /* pointer to proc structure */
:

147764: 000000 24
147766: 000000 u_segflag/u_error
147770: 001400 u_uid/u_gid
147772: 001400 u_ruid/u_rgid
147774: 005262 u_procp
147776: 177737

2012/3/24
139

自分のprocを見る#4
sim> e -h 5262/40
5262:
0103 p_flag/p_stat
5264:
0064 p_sig/p_pri
0358: struct proc
0359: {
5266:
7F00 p_time/p_uid
0360: char p_stat;
5270:
0000 p_cpu
0361: char p_flag;
0362: char p_pri; /* priority, negative is high */
5272:
42F2 p_ttyp
0363: char p_sig; /* signal number sent to this process */
5274:
000E p_pid
0364: char p_uid; /* user id, used to direct tty signals */
5276:
0001 p_ppid
0365: char p_time; /* resident time for scheduling */
0366: char p_cpu; /* cpu usage for scheduling */
5300:
033F
0367: char p_nice; /* nice for scheduling */
5302:
0048
0368: int p_ttyp; /* controlling tty */
0369: int p_pid; /* unique process id */
5304:
0000
0370: int p_ppid; /* process id of parent */
5306:
0EDC
0371: int p_addr; /* address of swappable image */
0372: int p_size; /* size of swappable image (*64 bytes) */
5310:
0000
0373: int p_wchan; /* event process is awaiting */
5312:
00CE
0374: int *p_textp; /* pointer to text structure */
5314:
0000
0375:
pidは0xe=14(10進)
0376: } proc[NPROC];
5316:
0000
5320:
0000

2012/3/24
140

自分のprocを見る#5
Breakpoint, PC: 054104 (JSR R5,22240)
sim> nobreak 54104
sim> c
# ps
14 -
29 ps
#
pidは0xe=14(10進)

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141

だらだらつづくよ
2012/3/24
142