第3课 操作系统的组织结构

第3课 操作系统的组织结构

今天的主题：

1. 操作系统设计

• 系统调用
• 微内核/整体内核

2. 在xv6中的第一个系统调用

操作系统的示意图

应用，比如sh、echo等
系统调用接口，比如open、close等
操作系统

操作系统的目标有哪些？

• 同时运行多个应用
• 隔离多个应用
• 多路复用多个应用
• 在多个应用间共享资源

操作系统设计

稻草人设计：没有操作系统
应用直接跟硬件交互，比如CPU、寄存器、DRAM、磁盘等；
操作系统类库可能抽象了一部分硬件；

稻草人设计不利于多路复用，因为每个app必须周期性地放弃硬件；

稻草人设计提供的弱隔离，比如应用忘记放弃硬件了，则没有其他应用会运行；应用出现死循环了，则没有其他应用会运行；甚至不能杀掉来自另一个应用的恶意应用。

稻草人设计不利于内存隔离，因为所有的应用共用一个物理内存；一个应用能覆盖另一个应用的内存；一个应用能覆盖操作系统库。

Unix接口有利于操作系统目标

对硬件进行了如下4个抽象来实现目标，

• 进程 fork
  进程是对CPU的抽象；
  操作系统透明地将CPU分配给进程，保存和恢复寄存器，保证：进程放弃CPU，周期性地重新获取CPU
• 地址空间 exec
  内存是对物理内存的抽象；
  每个进程都有自己的地址空间；
  操作系统能决定应用在内存中的位置；
  操作系统能保证不同应用之间的内存相互隔离；
  操作系统允许在文件系统中存储内存映像；
• 文件
  文件是对磁盘块的抽象；
  操作系统允许在不同进程/用户间共享文件；
• 管道
  管道是对共享物理内存的抽象；
  操作系统能使发送者/接收者停止；

操作系统必须有一定的防御力

应用不应该能使操作系统崩溃；
应用不应该打破它的隔离；

因此，在操作系统和应用之间需要强隔离。
方法：需要来自硬件的支持

• 用户/内核模式
• 虚拟内存

处理器提供用户/内核模式

内核模式：能执行特权指令，比如设置内核/用户模式标记位，重复编程计时器芯片等

用户模式：不能执行特权指令

以内核模式运行操作系统，以用户模式运行应用

注意：RISC-V还有一个M模式，但是大部分情形都被忽略了。

处理器提供虚拟内存

硬件提供页表机制来完成从虚拟地址到物理地址的转换；

定义应用能访问什么物理内存；

操作系统设置页表使得：每个应用只能访问自己的内存。

应用必须能跟内核通信

解决方案：添加一条指令来以一种可控的方式修改模式

ecall <n>：在预先安排好的入口处进入内核

xv6案例探究

目标：不用参考书，阅读源代码，并理解它

xv6使用了整体内核，其中Unix系统调用等价于内核接口

xv6的源代码反映了操作系统的组织结构，比如：

• user/
  包含了在用户模式下运行的应用
• kernel/
  包含了内核的代码