一、操作系统
- 作用：服务应用、管理应用
- 服务应用
- 为应用提供计算资源的抽象（CPU、内存、IO设备）
- 为应用提供线程间的同步
- 为应用提供进程间的同步
- 管理应用
- 生命周期的管理
- 计算资源的分配（CPU、内存、IO设备）
- 安全与隔离（应用程序内部以及应用程序之间）
- 避免单个应用独占所有资源（每10ms发生一个时钟中断-时间片/通过信号打断当前任务的执行）
- 目标差异
- 服务应用：单个应用的运行效率最大化
- 管理应用：系统资源的利用率最大化
- 两者的目标可能存在冲突。公平的调度策略，往往资源利用率低。
- 操作系统的启动过程
- 硬件初始化工作并开启页表
- 主CPU启动且其他次CPU等待
- 层级切换：其他ELX 切换到 EL1（内核）
- 准备函数栈(设置SP寄存器)和异常向量(为了debug)
- 内存空间初始化(映射到IO的内存空间)
- 初始化页表并开启MMU(将内核kernel代码映射到低地址段和高地址段两份；低地址段与物理地址相同，方便启动 方便同时访问，启动完毕之后会把低地址段去掉)。
- 进入内核
二、中断与异常
- 中断：外部硬件设备所产生的信号。
- 异步：产生的原因 与 当前执行指令 无关。
- 异常：软件程序的执行所产生的信号，包括系统调用-即用户程序请求操作系统提供服务。
- 同步：产生的原因 与 当前执行指令或试图执行的指令 有关。
- 中断与异常的处理
- ① 正常执行过程中CPU发现中断或异常(User)
- ② 进入中断和异常处理(kernel)
- 保存处理器状态、错误信息、部分上下文信息存储在寄存器中，方便之后恢复执行
- （该寄存器不可在用户态中访问，从而保证安全性）
- 准备好在高特权级下执行工作的环境
- ③ 查询异常向量表，选择合适的异常处理器Handler执行代码(kernel)
- 保证用户态和内核态之前的隔离
- 处理中断或异常过程中，获得关于异常的信息，比如系统调用的参数、错误的原因等
- ④ 处理完毕，从Handler中返回到断点位置(User用户空间)
- 恢复处理器状态
- 返回低特权级
- 继续正常执行流
- 处理中断和处理异常的差异：使用同一套机制，差异仅在选择Handler中体现。
三、系统调用
- 系统调用，指的是运行在用户空间的程序，向操作系统的内核 请求需要更多高权限运行的服务。提供了用户程序与操作系统之间的接口。
- 系统调用（或者需要从用户态往内核态处理时）会造成大量性能开销。
- 当操作所需要的数据状态保存可以用户态的栈上时，需要复制到内核态的栈上，从而增加了上下文保存的开销。
- 硬件优化：新增新的系统调用指令，减少上下文保存的开销。
四、操作系统内核架构
| 简要结构 |
- 将应用程序与操作系放置在同一个地址空间。
- 优点：应用程序对于操作系统服务的调用，可以直接通过函数调用来高效完成。
- 缺点：任何一个应用或者操作系统模块出现问题，都会导致整个系统崩溃。
- 举个栗子：MS-DOS(MicroSoft Disk Operating System)。
- 使用场景：主要运行在微控制单元等相对比较简单的硬件上，这些硬件通常没有提供现代意义上的内存管理单元MMU，隔离能力相对较弱或者缺失隔离能力，因此难以运行复杂的操作系统。
| 宏内核 |
- 又称单内核。
- 操作系统内核的所有模块均运行在内核态，具有直接操作硬件的能力，包括进程调度模块、内存管理模块、文件系统模块、设备驱动模块等。
- 缺点：所有内核模块均运行在特权空间，一个单点的错误会导致整个系统崩溃或者被攻破。
- 举个栗子：UNIX/Linux 。
| 微内核 |
- 对操作系统进行了解耦，将单个功能或者单个模块从内核中拆分出来，作为一个独立的服务部署到独立的运行环境中；内核仅保留极少的功能，为这些服务提供通信等基础功能，使其能够互相协作以完成操作系统所必需的功能。
- 优点：服务之间是完全隔离的，有效提高操作系统的可靠性和安全性。
- 举个栗子：经历了从 Mach -- L4 --- Capability机制 的变化。
- Mach 将很多内核功能以单独服务的形式运行在用户态。然而其对 IPC 的设计过于通用，加上 Mach 微内核自身资源占用过大（包括内存占用和CPU缓存占用）等问题，使得其性能表现较差。
- L4：通过高性能的 IPC 实现以及极小化的微核 ukernel（微内核系统中的内核部分），L4 微内核架构操作系统的性能表现较好。
- Capability 机制：将能力机制（Capability 机制）引入微内核操作系统从而增强微内核的安全性，实现访问控制。Capability 机制允许更精确、更细粒度地给不同的应用程序授予对内核对象的调用权限，从而更好地提升系统的安全性。
