MIT6.S081 - Lecture3: OS Organization and System Calls

jll133688發表於2024-04-20
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為什麼要使用作業系統

  1. 使用作業系統的主要原因是為了實現 CPU 多程序分時複用以及記憶體隔離
  2. 如果沒有作業系統，應用程式會直接與硬體進行互動，這時應用程式會直接使用 CPU，比如假設只有一個 CPU 核，一個應用程式在這個 CPU 核上執行，但是同時其他程式也需要執行，因為沒有作業系統來幫助切換，就需要應用程式時不時釋放 CPU 資源，但是如果這個程式的某個函式有一個死迴圈，那它就永遠也不會釋放 CPU，甚至沒辦法做到執行第三方程式來停止或者殺死這個死迴圈程式，這種情況下就沒辦法實現 CPU 多程序的分時複用
  3. 還有從記憶體的角度來看，如果應用程式直接執行在硬體上，則程式的資料程式碼都直接儲存到實體記憶體中，這樣不同程式的記憶體之間沒有明確邊界，就可能會造成一個程式儲存在本來屬於另外一個程式的記憶體空間，覆蓋另外一個程式中的內容

作業系統的隔離性需要隔離使用者程式和作業系統，也需要隔離不同的程序

系統呼叫與隔離性

  • 可以認為 exec 抽象了記憶體。當我們在執行 exec 系統呼叫的時候，我們會傳入一個檔名，而這個檔名對應了一個應用程式的記憶體映象。記憶體映象裡面包括了程式對應的指令，全域性的資料。應用程式可以逐漸擴充套件自己的記憶體，但是應用程式並沒有直接訪問實體記憶體的許可權，例如應用程式不能直接訪問實體記憶體的 1000-2000 這段地址。不能直接訪問的原因是，作業系統會提供記憶體隔離並控制記憶體，作業系統會在應用程式和硬體資源之間提供一箇中間層。exec 是這樣一種系統呼叫，它表明了應用程式不能直接訪問實體記憶體。
  • files 基本上是抽象了磁碟。應用程式不會直接讀取磁碟，在 Unix 中它與儲存系統互動的唯一方式就是透過 files。作業系統會決定如何將檔案與磁碟中的塊對應，確保一個磁碟塊只出現在一個檔案中，並保證使用者 A 不能操作使用者 B 的檔案。files 實現了不同使用者之間以及同一使用者不同程序之間的檔案隔離。

硬體實現強隔離性

實現強隔離性的硬體支援包括了兩部分：

  1. user/kernel mode：處理器有兩種操作模式：user mode 和 kernel mode：

    • 當執行在 kernel model 時，CPU 能執行特定許可權的指令（直接操作硬體的指令和設定保護的指令，如設定 page table 暫存器、關閉時鐘中斷）
    • 當執行在 user mode 時，CPU 只能執行普通許可權的指令

    RISC-V 實際上有三種許可權：user/kernel/machine mode

  2. 在 RISC-V 中，如果你在使用者空間（user space）嘗試執行一條特殊許可權指令，使用者程式會透過系統呼叫來切換到 kernel mode。當使用者程式執行系統呼叫，會透過 ECALL 觸發一個軟中斷（software interrupt），軟中斷會查詢作業系統預先設定的中斷向量表，並執行中斷向量表中包含的中斷處理程式。中斷處理程式在核心中，這樣就完成了 user mode 到 kernel mode 的切換，並執行使用者程式想要執行的特殊許可權指令

  3. 虛擬記憶體：每個程序都有自己獨立的 page table，page table 將虛擬記憶體地址和實體記憶體地址做了對應

ECALL 指令

  • 在 RISC-V 中，ECALL 指令可以讓使用者程式將控制權轉移給核心，並傳入一個數字，這個數字表示了應用程式想要呼叫的 System Call
  • ECALL 會跳轉到核心中一個特定的位置，在核心側，有一個位於 syscall.c 的函式 syscall，每一個從應用程式發起的系統呼叫都會呼叫到這個 syscall 函式，syscall 函式會檢查 ECALL 的引數

核心是如何奪回控制權

  • 核心會透過硬體設定一個定時器，定時器到期之後會將控制許可權從使用者空間轉移到核心空間，之後核心就有了控制能力並可以重新排程 CPU 到另一個程序中

單核心 vs 微核心

單核心

XV6 中，所有的作業系統服務都在 kernel mode 中，這種形式被稱為單核心

  • 從安全的角度來說，這種方式不太好，在一個單核心中，任何一個作業系統的 Bug 都有可能成為漏洞，如果有許多行程式碼執行在核心中，那麼出現嚴重 Bug 的可能性也變得更大
  • 單核心的優勢在於可以將檔案系統、虛擬記憶體、程序管理這些實現特定功能的子模組緊密地整合在一起，這樣可以提供很好的效能

微核心

微核心模式下，在核心中只有非常少的模組，將核心中的其他部分作為普通的使用者程式來執行

  • 這樣做的好處是核心中的程式碼數量較小，降低了 bug 出現的可能
  • 如果使用者程式想要使用核心的功能，但由於核心的程式作為普通的使用者程式，比如說某個系統想要使用檔案系統，需要完成從使用者空間到核心空間，再從核心到使用者空間來訪問檔案系統，檔案系統也需要經過同樣的路徑將訊息返回給使用者系統，使得在微核心從使用者到核心的跳轉是單核心的兩倍，而反覆跳轉帶來了效能的損耗，且微核心的核心程式被隔離開，難以實現共享，降低了系統的效能。

XV6 程式碼結構

程式碼主要由三部分組成：

  1. kernel：包含了基本上所有的核心檔案
  2. user：這基本上是執行在 user mode 的程式
  3. mkfs：會建立一個空的檔案映象，將這個映象存在磁碟上，就可以直接使用一個空的檔案系統

kernel 編譯過程

  1. Makefile 讀取一個 C 檔案，比如 proc.c，然後呼叫 gcc 編譯器，生成一個叫 proc.s 的檔案，這是 RISC-V 組合語言檔案，然後再走到彙編直譯器，生成 proc.o，這是組合語言的二進位制格式，Makefile 會為所有核心檔案做相同的操作
  2. 系統載入器收集所有的.o 檔案，將它們連結在一起並生成核心檔案

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