XV6源码阅读——操作系统架构

本文主要是介绍XV6源码阅读——操作系统架构，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

文章目录

前言
抽象系统资源
用户态，核心态，以及系统调用
- 机器模式
- 管理模式
- 用户模式
内核组织
- 宏内核
- 微内核

前言

一个本硕双非的小菜鸡，备战24年秋招。打算尝试6.S081，将它的Lab逐一实现，并记录期间心酸历程。
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官方网站：6.S081官方网站

抽象系统资源

为了实现强隔离，最好禁止应用程序直接访问敏感的硬件资源，而是将资源抽象为服务。例如，Unix应用程序只通过文件系统的open、read、write和close系统调用与存储交互，而不是直接读写磁盘。这为应用程序提供了方便实用的路径名，并允许操作系统（作为接口的实现者）管理磁盘。即使隔离不是一个问题，有意交互（或者只是希望互不干扰）的程序可能会发现文件系统比直接使用磁盘更方便。

同样，Unix在进程之间透明地切换硬件处理器，根据需要保存和恢复寄存器状态，这样应用程序就不必意识到分时共享的存在。这种透明性允许操作系统共享处理器，即使有些应用程序处于无限循环中。

一个例子是，Unix进程使用exec来构建它们的内存映像，而不是直接与物理内存交互。这允许操作系统决定将一个进程放在内存中的哪里；如果内存很紧张，操作系统甚至可以将一个进程的一些数据存储在磁盘上。exec还为用户提供了存储可执行程序映像的文件系统的便利。

Unix进程之间的许多交互形式都是通过文件描述符实现的。文件描述符不仅抽象了许多细节（例如，管道或文件中的数据存储在哪里），而且还以简化交互的方式进行了定义。例如，如果流水线中的一个应用程序失败了，内核会为流水线中的下一个进程生成文件结束信号（EOF）。

简单来说操作系统隔离了应用程序与硬件操作，将资源抽象为服务

用户态，核心态，以及系统调用

CPU为强隔离提供硬件支持。例如，RISC-V有三种CPU可以执行指令的模式：机器模式(Machine Mode)、用户模式(User Mode)和管理模式(Supervisor Mode)。

机器模式

在机器模式下执行的指令具有完全特权；CPU在机器模式下启动。机器模式主要用于配置计算机。Xv6在机器模式下执行很少的几行代码，然后更改为管理模式。

管理模式

在管理模式下，CPU被允许执行特权指令：例如，启用和禁用中断、读取和写入保存页表地址的寄存器等。如果用户模式下的应用程序试图执行特权指令，那么CPU不会执行该指令，而是切换到管理模式，以便管理模式代码可以终止应用程序，因为它做了它不应该做的事情。第1章中的图1.1说明了这种组织。应用程序只能执行用户模式的指令（例如，数字相加等），并被称为在用户空间中运行，而此时处于管理模式下的软件可以执行特权指令，并被称为在内核空间中运行。在内核空间（或管理模式）中运行的软件被称为内核。

用户模式

应用程序只能运行在用户模式，若应用程序试图执行一条特权指令，CPU不会去执行它，而是使用ecall指令，将CPU从用户模式切换到监督者模式，并在内核指定的入口处进入内核。监督者模式（内核）的代码会终止该应用程序，并验证系统调用的参数，决定是否允许应用程序执行请求的操作，然后拒绝或执行该操作。

内核组织

一个关键的设计问题是操作系统的哪些部分应该以管理模式运行。

宏内核

一种可能是整个操作系统都驻留在内核中，这样所有系统调用的实现都以管理模式运行。这种组织被称为宏内核（monolithic kernel）。

宏内核：又名单内核。它的用户服务与内核服务都保存在相同的地址空间，由内核进行统一管理。

在这种组织中，整个操作系统以完全的硬件特权运行。这个组织很方便，因为操作系统设计者不必考虑操作系统的哪一部分不需要完全的硬件特权。此外，操作系统的不同部分更容易合作。例如，一个操作系统可能有一个可以由文件系统和虚拟内存系统共享的数据缓存区。

宏组织的一个缺点是操作系统不同部分之间的接口通常很复杂（正如我们将在本文的其余部分中看到的），因此操作系统开发人员很容易犯错误。在宏内核中，一个错误就可能是致命的，因为管理模式中的错误经常会导致内核失败。如果内核失败，计算机停止工作，因此所有应用程序也会失败。计算机必须重启才能再次使用。

微内核

为了降低内核出错的风险，操作系统设计者可以最大限度地减少在管理模式下运行的操作系统代码量，并在用户模式下执行大部分操作系统。这种内核组织被称为微内核（microkernel）。

微内核：用户服务与内核服务保存在不同的地址空间。
在这里插入图片描述
在图中，文件系统作为用户级进程运行。作为进程运行的操作系统服务被称为服务器。为了允许应用程序与文件服务器交互，内核提供了允许从一个用户态进程向另一个用户态进程发送消息的进程间通信机制。例如，如果像shell这样的应用程序想要读取或写入文件，它会向文件服务器发送消息并等待响应。