历经无数个日夜的构思与代码编写，我们的 UNIX V6++ 操作系统终于迎来了它的雏形。在这篇文章中，我将和大家分享 UNIX V6++ 的架构设计，希望这篇文章能为你带来启发。UNIX V6 原始参考源码可以在这里获得：Research-V6-Snapshot-Development

1. UNIX V6++ 功能概述

在设计之初，我们确立了系统的功能边界，力求用最简洁的代码实现最高效的运转。系统主要涵盖以下模块：

• 设备管理：区分块设备和字符设备，统一 I/O 接口。
• 系统调用：用户态与内核态的桥梁。
• 进程管理：支持进程创建（fork）与复杂的进程调度。
• 文件系统与交换空间：管理持久化数据与内存置换。
• 系统初始化：从引导启动到 init 进程的建立。
• 多用户支持：基于 UID/GID 的权限隔离。
• 中断处理：响应外部硬件与内部异常。
• Shell 与 管道：提供强大的命令行交互与进程间通信能力。

2. PDP-11/40 硬件基础：一切的起点

操作系统离不开底层的硬件支持。UNIX V6 深度依赖于 PDP-11/40 的体系结构。PDP-11 最优雅的设计之一就是其 UNIBUS 总线 架构。通过 UNIBUS，外设寄存器被直接映射到了内存地址空间中。这意味着我们不需要特殊的 I/O 指令，直接通过普通的内存读写指令就能操作硬件。UNIBUS 的地址总线宽度为 18bit（最大寻址 256KB），其中内存最高端的 8KB 空间被专门保留用于映射 I/O 寄存器。

2.1. 寄存器设计

PDP-11 提供了 7 个 16 位的通用寄存器（r0 ～ r7），并在硬件层面上严格区分了内核态和用户态：

此外，还有一个至关重要的 PSW（处理器状态字） 寄存器，它不仅保存了条件码，还决定了当前的运行特权级。

在我们的源码中，PSW 被映射到了特定的内存地址 0177776（八进制）：

1

#define PS 0177776

3. 进程管理：系统的灵魂

进程是操作系统的灵魂。为了兼顾效率和内存限制，我们将进程上下文拆分成了两个核心结构体：proc 和 user。

3.1. proc 与 user 结构体

proc 结构体常驻物理内存，即使进程被 Swap 出去，它也依然在内存中。它保存了调度器最关心的信息：

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19

struct proc {
    char p_stat;   /* 进程状态 */
    char p_flag;   /* 进程标志位 */
    char p_pri;    /* 调度优先级，越小优先级越高 */
    char p_sig;    /* 接收到的信号 */
    char p_uid;    /* 用户 ID */
    char p_time;   /* 驻留内存/交换区的时间，用于调度计算 */
    char p_cpu;    /* CPU 占用率 */
    char p_nice;   /* 调度偏移量 */
    int  p_ttyp;   /* 控制终端 */
    int  p_pid;    /* 进程 ID */
    int  p_ppid;   /* 父进程 ID */
    int  p_addr;   /* 数据段在内存或交换区的地址 */
    int  p_size;   /* 数据段大小 (*64 字节) */
    int  p_wchan;  /* 进程休眠等待的事件地址 */
    int  *p_textp; /* 指向共享代码段 text 结构体的指针 */
} proc[NPROC];

#define NPROC 50   /* 系统最大支持 50 个并发进程 */

而 user 结构体（全局变量 u）包含了进程打开的文件描述符、目录上下文、各类内核栈信息等。由于它比较庞大，当内存紧张时，user 结构体会随着进程的数据段一起被 Swap 到磁盘上。

3.2. 进程状态与标志

系统中进程的生命周期通过 p_stat 和 p_flag 精确控制：

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14

/* p_stat 状态枚举 */
#define SSLEEP 1 /* 高优先级休眠（不可被信号中断） */
#define SWAIT  2 /* 低优先级休眠（可被中断） */
#define SRUN   3 /* 就绪/可执行状态 */
#define SIDL   4 /* 进程创建中 */
#define SZOMB  5 /* 僵尸状态 */
#define SSTOP  6 /* 被跟踪（trace）暂停 */

/* p_flag 标志位 */
#define SLOAD  01  /* 核心数据位于内存中 */
#define SSYS   02  /* 系统进程（如调度进程 proc[0]），免于被 swap */
#define SLOCK  04  /* 调度锁，临时禁止 swap */
#define SSWAP  010 /* 数据已经被换出到磁盘 */
#define STRC   020 /* 处于被跟踪状态 */

3.3. 内存分配与虚拟地址映射

进程的内存被划分为代码段和数据段。为了节省宝贵的内存，多个运行相同程序的进程（如打开多个 shell）会共享同一个代码段。这一机制通过全局的 text[] 数组实现。

借助于 PDP-11 的 MMU (内存管理单元)，进程拥有独立的 16 位（64KB）虚拟地址空间，而底层物理地址为 18 位（256KB）。MMU 通过 APR (Active Page Register) 将这两者映射起来。每页最大 8KB，通过 PAR (基地址) 和 PDR (访问控制) 组合，既实现了地址隔离，又保证了内存安全性。

3.4. 进程的诞生：fork 与 newproc

UNIX 使用父子树状结构管理进程。fork 也许是 UNIX 最具艺术感的设计之一——它被调用一次，却在父子进程中分别返回不同的值。

在内核态，fork 最终调用 newproc()。newproc() 的核心逻辑如下：

1. 遍历 proc 数组，找出一个空槽位（p_stat == NULL）。
2. 生成一个全局唯一的新 PID (mpid++)。
3. 拷贝父进程的 proc 信息给子进程。
4. 增加打开文件句柄（u_ofile）和共享代码段的引用计数。
5. 极其关键的一步：为子进程分配数据段内存。如果物理内存不足，它甚至会触发 xswap 将父进程换出，以此腾出空间完成拷贝。

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15

/* ... (节选自 newproc) ... */
if(a2 == NULL) {
    /* 处理内存不够的情况：将父进程暂时换出 */
    rip->p_stat = SIDL; 
    rpp->p_addr = a1;
    savu(u.u_ssav);
    xswap(rpp, 0, 0); 
    rpp->p_flag =| SSWAP;
    rip->p_stat = SRUN;
} else {
    /* 内存充足，直接拷贝数据段 */
    rpp->p_addr = a2;
    while(n--)
        copyseg(a1++, a2++);
}

3.5. 进程调度与 Swap 机制

进程调度由 swtch() 函数完成。它的逻辑十分直接：遍历所有状态为 SRUN 且处于物理内存中 (SLOAD) 的进程，挑出 p_pri 值最小（优先级最高）的执行。

当内存耗尽时，0 号进程（也就是 sched() 守护进程）就会苏醒。它使用 First Fit 算法管理物理内存 (coremap) 和交换空间 (swapmap)。如果需要换入某个进程但内存不足，sched() 会无情地挑选出那些处于休眠状态（SWAIT）、且驻留内存时间足够长的进程，通过 xswap() 将其踢到磁盘上，从而盘活整个系统。

4. 异常处理：Panic 与 Idle

操作系统难免会遇到无法挽回的内核态错误。此时，我们会调用 panic() 抛出一条简短但致命的字符串。

1
2
3
4
5
6
7
8
9

panic(s)
char *s;
{
    panicstr = s;
    update();
    printf("panic: %s\n", s);
    for(;;)
        idle();
}

idle() 函数会将 CPU 优先级降到最低 (spl 0)，执行硬件级 wait 指令挂起 CPU，等待下一次中断的降临——这通常意味着只能拔电源重启了。

5. 中断与优先级

硬件不会主动配合软件的节奏，因此我们高度依赖中断机制。无论是块设备 I/O 完成、终端敲击键盘、还是时钟滴答，都会触发硬件中断。

为了防止内核在处理关键数据结构时被打断造成竞态条件，我们利用 PSW 寄存器设定了 0~7 的中断屏蔽等级。例如，执行关键的进程调度前，通常会调用 spl6() 屏蔽绝大多数中断，处理完毕后再调用 spl0() 恢复响应。

6. 管道 (Pipes)：数据流转

最后，不得不提的是管道机制。在没有管道之前，如果要把前一个程序的输出交接给下一个程序，只能这样：

1
2

a1 > tmp
a2 < tmp

这不仅需要反复读写磁盘，还极大地浪费了存储空间。管道的引入，本质上是分配一块环形的内存缓冲区。两个进程一个往里写，一个往外读，当缓冲区满或空时，进程会优雅地通过 sleep 和 wakeup 进行同步。这是最低投入、最高产出的进程间通信方案，也是 UNIX “一切皆数据流”哲学的绝佳体现。