[MIT 6.S081] Lec 3: OS organization and system calls 笔记

Lec 3: OS organization and system calls

• Ref: https://github.com/huihongxiao/MIT6.S081/tree/master/lec03-os-organization-and-system-calls
• Preparation: xv6 book Chapter 2

Topic

• Isolation 隔离性
• Kernel/User mode 内核/用户模式
• System Call 系统调用
• xv6 实现

Isolation 隔离性

Unix Interface - 实现复用和物理内存隔离:

• abstract the HW resource 抽象硬件资源
• process: instead CPU 进程:应用程序通过进程与 CPU 交换, 抽象了 CPU
• exec: instead of memory 加载镜像, 内存隔离
• files: instead of disk block 文件系统: 抽象了磁盘块

Defensive 防御性

App cannot crash the OS
App cannot break out of its isolation
通过硬件实现强隔离性 Strong Isolation between apps + OS
typical: HW support:

• user/kernel mode
• virtual memory

user/kernel mode

user: unprivileged instructions - ADD, SUB, JRC, BRANCH
kernel: privileged instructions - setup page table设置页表寄存器, 关闭时钟中断

virtual memory

page table: virtual addr -> physical addr
process has own page table
memory isolation

User/Kernel mode Switch

RISC-V: ECALL 指令: 控制权由用户转移至内核

每个应用程序发起系统调用通过 syscall 函数

Kernel = Trusted Computing Base(TCB) 内核被称为可被信任的计算空间

• Kernel must have no bugs
• Kernel must treat processes as malicious

Monolithic Kernel vs Micro Kernel 宏内核 vs 微内核

• 宏内核: 所有操作系统服务都在内核态
  • 缺点: 内核中有大量代码, Bug 隐患
  • 有点: 子模块在同一程序, 性能好
• 微内核: 内核仅有较少模块
  • 优点: 较少的 Bug
  • 缺点: 用户态内核态切换的性能损耗; 共享困难

xv6: 宏内核

内核编译

1. Makefile 读取 C 文件, 调用 gcc 编译器 生成 .s 的 RISC-V 汇编语言文件
2. 调用汇编解释器生成 .o 的二进制文件
3. 所有内核 C 文件重复 1, 2 的操作
4. 系统加载器(Loader)收集所有 .o 文件, 链接在一起生成内核文件
   

传给QEMU的几个参数：

• kernel：这里传递的是内核文件（kernel目录下的kernel文件），这是将在QEMU中运行的程序文件。
• m：这里传递的是RISC-V虚拟机将会使用的内存数量
• smp：这里传递的是虚拟机可以使用的CPU核数
• drive：传递的是虚拟机使用的磁盘驱动，这里传入的是fs.img文件
  

XV6 启动过程

kernel/entry.S -> kernel/start.c-start() -> kernel/main.c-main()-> kernel/proc.c-userinit() 第一个用户进程, 用于与操作系统交互

userinit() 中会执行 initcode 代码, 其中会执行系统调用 SYS_exec, 并执行用户态的 init 程序(user/init.c), 最终将 shell 运行起来.