xv6（RISC-V）操作系统源码分析第二节——操作系统组织

MCQSLW

已于 2023-12-24 23:16:01 修改

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文章标签： risc-v c语言 unix 汇编 vscode

于 2023-12-23 12:20:15 首次发布

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一、一个操作系统的基本要求

一个操作系统至少需要满足以下三个要求：

硬件CPU的数量有限，且往往少于同时存在的进程数量。而操作系统需要支持进程的并发执行，所以操作系统应该能使多个进程分时共享计算机的资源。

一个进程的运行，应当具有一定的独立性，这个独立性指该进程在一定程度上不受其他进程的影响。这可以保证出了bug的程序不会严重影响其他程序的正常运行。

如上所说，进程的隔离并非是完全的，而是一定程度上的。进程间可能需要通信来协调进程的执行。

倘若应用程序与硬件资源直接交互，并把之前的系统调用视为一个库，应用程序与之连接。这样做，应用程序可能会实现高效、可预测的性能。一些用于嵌入式设备或实时系统的操作系统就是采用这样的方式。

但缺点就是，多个应用程序间必须配合的天衣无缝。比如每个应用程序必须定期放弃CPU，以使其他应用程序可以运行，这样做要求所有应用程序间都相互信任且没有bug。但这往往是难以实现的，所以操作系统实现应用程序与硬件资源的强隔离是非常有必要的。

操作系统实现强隔离的方式是将资源抽象为服务。比如Unix应用程序只通过文件系统的open、write等系统调用去与文件系统直接交互，而不是直接读写磁盘，这带来了路径名的便利。

总得来说，操作系统强隔离了应用程序与硬件资源，将资源抽象为服务，提高了开发与程序执行的效率。

RISC-V指令集架构的CPU有三种模式，分别是机器模式、监督者模式和用户模式。

一个CPU在机器模式下启动，因为机器模式下执行的指令具有完全的权限。机器模式主要用于配置计算机。xv6在机器模式下执行几条指令后就会转为监督者模式。
在监督者模式下，CPU被允许执行特权指令，例如：启用和禁用中断、读写保存页表地址的寄存器。处于监督者模式的软件可以执行特权指令，被称为运行在内核空间。运行在内核空间（或称监督者模式）的软件被称为内核。
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。

注意：内核控制监督者模式的入口点，如果是应用程序决定内核的入口点，那么恶意程序就能够在跳过参数验证的情况下进入内核。

宏内核与微内核是内核的两种组织方式。

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，有内核进行统一管理。

微内核：用户服务与内核服务保存在不同的地址空间。

如下图所示：

在宏内核中，内核是一个大的整体，一个大的进程，函数间的调用链路少，之间通信简单高效。

在微内核中，微内核的功能被划分为独立的进程，进程间通过IPC通信，高度模块化，一个服务的故障不会影响另一个服务。但由于模块化，函数之间调用链路偏长，进程间不会之间通信，而是通过内核服务相互通信。

宏内核的执行效率高于微内核，因为微内核涉及到跨模块调用。但宏内核的扩展性比微内核差。

xv6采用宏内核组织，其所有系统调用都在监督者模式下运行。整个操作系统以全硬件权限运行。

这导致xv6的开发者需要仔细地琢磨各个接口，一旦有一个错误就是致命的。因为监督者模式下的错误往往会导致内核崩溃，内核崩溃导致计算机停止工作，所有应用程序崩溃，计算机必须重启。

xv6的内核源码在kernel/子目录下。按照模块化的设计思想，源码被分为了多个文件，下图列出了这些文件及其功能。

xv6的隔离单位是一个进程。进程的实现，可以防止一个进程破坏或监视另一个进程的内存、CPU、文件描述符等。同时还可以防止进程破坏

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