xv6 lec3 OS Organization and System Calls

3.1 上一节课回顾

• 操作系统的基本架构是，os之上时shell，echo，find等用户态程序；中间是os，为用户程序提供服务与管理；os之下时硬件，os为上层应用提供unix风格的接口，使得硬件变成了简单的抽象

3.2 操作系统隔离性（isolation）

• 稻草人提案法(就是头脑风暴找出错误)
• 操作系统提供的虚拟内存，进程切换(进程抽象了CPU，OS不是直接提供CPU给应用程序，而是项应用程序提供进程)提供了隔离性。
• exec抽象了内存，当我们在执行exec系统调用的时候，我们会传入一个文件名，而这个文件名对应了一个应用程序的内存镜像。内存镜像里面包括了程序对应的指令，全局的数据。
• file抽象了磁盘

3.3 操作系统防御性（Defensive）

• os的防御性是指其，能够应对恶意的应用程序
• 通过硬件实现强隔离性，第一是user/kernel mode（kernel mode在RISC-V被称为Supervisor mode),第二是page table/虚拟内存
• 如果需要运行能够支持多个应用程序的操作系统，需要同时支持user/kernel mode和虚拟内存

3.4 硬件对于强隔离的支持

• 在RISC-V还有第三种模式，叫做machine mode

3.5 User/Kernel mode切换

• C语言对于底层硬件的控制能力更好

3.6 宏内核 vs 微内核 （Monolithic Kernel vs Micro Kernel）

• 内核是可信任的计算空间(Trusted Computing Base)TCB。
• 宏内核是指所有的操作系统服务都在kernel mode中。宏内核的好处是可以将文件系统，虚拟内存，进程管理等子模块紧密的集成在一起，性能好。但是，庞大的内核由于代码量大，容易出错,如果需要运行大量内核计算程序，适合桌面操作系统，比如windows，服务器操作系统，linux
• 微内核是指将操作系统的大多数部分运行在内核之外。微内核代码量小，bug少，但是性能低，比如这里的IPC通信，需要两次用户/内核态之间的切换，适合minix，cell这种嵌入式操作系统

3.7 编译运行kernel

• 在xv6中，所有的kernel文件夹下的文件会被编译成一个二进制文件，然后这个二进制文件会被运行在kernel mode。user文件夹类似，mkfs是一个文件镜像？
• fs.img磁盘驱动？

3.8 QEMU

• 对于硬件编程(比如对于UART设备)，就是对其寄存器完成 memory mapped I/O,之后复用普通的load/store指令去读写硬件设备的控制寄存器，进而去控制设备。
• qemu仿真了RISC-V处理器，它做了三件事：1.读取4字节或者8字节的RISC-V指令 2.解析RISC-V指令 3.软件去执行相应的指令； 对于每一个CPU核，qemu都会去运行一个循环

3.9 XV6 启动过程

• qemu内部有一个gdb server？
• 可以把内核的运行看成一个可执行文件，设置完断点后，执行没有停在断点处？
• kernel.ld定义了内核如何被加载，一开始执行内核代码的时候处于machine mode，没有内存分页，没有隔离性
• userinit函数有点像是胶水代码(胶水代码不实现具体的功能，只是为了适配不同的部分而存在),在userinit函数中分配了第一个进程并执行了一段initcode对应与这段汇编，但是为什么普通的系统调用不需要la a0, init与la a1, argv这段initcode汇编又会去通过exec系统调用执行init程序其中主要就是设置console之类的，之后还会fork子进程，并在子进程中执行shell，shell同样是通过exec系统调用实现的