Russ Cox Frans Kaashoek Robert Morris August 31, 2020
xv6: a simple, Unix-like teaching operating system
Russ Cox
Frans Kaashoek
August 31, 2020
Robert Morris
2
Contents
1
2
3
4
Operating system interfaces
1.1 Processes and memory
1.2 I/O and File descriptors
1.3 Pipes . . . . . . . . . .
1.4 File system . . . . . .
1.5 Real world . . . . . . .
1.6 Exercises . . . . . . .
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Operating system organization
2.1 Abstracting physical resources . . . . . . . .
2.2 User mode, supervisor mode, and system calls
2.3 Kernel organization . . . . . . . . . . . . . .
2.4 Code: xv6 organization . . . . . . . . . . . .
2.5 Process overview . . . . . . . . . . . . . . .
2.6 Code: starting xv6 and the first process . . . .
2.7 Real world . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.8 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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24
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28
28
Page tables
3.1 Paging hardware . . . . . . . .
3.2 Kernel address space . . . . . .
3.3 Code: creating an address space
3.4 Physical memory allocation . . .
3.5 Code: Physical memory allocator
3.6 Process address space . . . . . .
3.7 Code: sbrk . . . . . . . . . . . .
3.8 Code: exec . . . . . . . . . . . .
3.9 Real world . . . . . . . . . . . .
3.10 Exercises . . . . . . . . . . . .
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Traps and system calls
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4.1 RISC-V trap machinery . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
4.2 Traps from user space . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3
4.3
4.4
4.5
4.6
4.7
4.8
5
6
7
8
Code: Calling system calls .
Code: System call arguments
Traps from kernel space . . .
Page-fault exceptions . . . .
Real world . . . . . . . . . .
Exercises . . . . . . . . . .
Interrupts and device drivers
5.1 Code: Console input . .
5.2 Code: Console output . .
5.3 Concurrency in drivers .
5.4 Timer interrupts . . . . .
5.5 Real world . . . . . . . .
5.6 Exercises . . . . . . . .
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51
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58
60
60
62
62
63
64
64
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67
67
68
69
70
71
74
75
76
77
79
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81
81
82
83
84
Locking
6.1 Race conditions . . . . . . . . .
6.2 Code: Locks . . . . . . . . . . .
6.3 Code: Using locks . . . . . . . .
6.4 Deadlock and lock ordering . . .
6.5 Locks and interrupt handlers . .
6.6 Instruction and memory ordering
6.7 Sleep locks . . . . . . . . . . .
6.8 Real world . . . . . . . . . . . .
6.9 Exercises . . . . . . . . . . . .
Scheduling
7.1 Multiplexing . . . . . .
7.2 Code: Context switching
7.3 Code: Scheduling . . . .
7.4 Code: mycpu and myproc
7.5 Sleep and wakeup . . . .
7.6 Code: Sleep and wakeup
7.7 Code: Pipes . . . . . . .
7.8 Code: Wait, exit, and kill
7.9 Real world . . . . . . . .
7.10 Exercises . . . . . . . .
File system
8.1 Overview . . . . .
8.2 Buffer cache layer .
8.3 Code: Buffer cache
8.4 Logging layer . . .
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8.5
8.6
8.7
8.8
8.9
8.10
8.11
8.12
8.13
8.14
8.15
8.16
9
Log design . . . . .
Code: logging . . . .
Code: Block allocator
Inode layer . . . . .
Code: Inodes . . . .
Code: Inode content .
Code: directory layer
Code: Path names . .
File descriptor layer .
Code: System calls .
Real world . . . . . .
Exercises . . . . . .
Concurrency revisited
9.1 Locking patterns
9.2 Lock-like patterns
9.3 No locks at all . .
9.4 Parallelism . . .
9.5 Exercises . . . .
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94
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