现代操作系统

上交IPADS 陈海波老师等著

一、操作系统概述

介绍了操作系统相关的基本知识。
操作系统主要两个作用：

1. 对硬件进行管理和抽象
2. 为应用提供服务并管理

介绍了操作系统的历史，以及POSIX接口的作用和起源。
书中主要以AArch64架构进行介绍。

二、硬件结构

介绍处理器的硬件结构，包括指令级、内存和I/O设备三部分。

指令级

AArch64架构，即ARMv8的64位版本。
ARM的特权等级
EL0：最低的特权等级，用户态
EL1：操作系统的特权级，内核态
EL2：虚拟化用到，虚拟机监控器
EL3：与安全特性TrustZone有关，负责normal world和secure world之间切换

特权级切换通过syscall调用svc指令、异常触发和外部中断三种情况。
中断切换流程略。

AArch64寄存器有31个64位通用寄存器，X29是FP，X30是LP。
EL1级下有页表基地址寄存器TTBR0_EL1和EEBR1_EL1(Translation Table Base Register)，负责翻译虚拟地址空间中不同的地址段，负责的地址范围由另一种常见的控制寄存器TCR_EL1(Translattion Control Register)决定

内存

讲的cache和内存结构，略。

外设

MMIO设备使得CPU可以主动地访问设备，中断使得设备能够主动地通知CPU。

三、操作系统结构

机制和策略，机制表示“如何做”，策略表示“做什么”，两者分离是重要设计原则。
管理复杂系统的方法是M.A.L.H

• 模块化 modularity
  将复杂系统分解为一系列明确定义的接口进行交互的模块，并严格保证界限。
  高内聚，低耦合。

  高内聚低耦合，是软件工程中的概念，是判断软件设计好坏的标准，主要用于程序的面向对象的设计，主要看类的内聚性是否高，耦合度是否低。目的是使程序模块的可重用性、移植性大大增强。通常程序结构中各模块的内聚程度越高，模块间的耦合程度就越低。内聚是从功能角度来度量模块内的联系，一个好的内聚模块应当恰好做一件事，它描述的是模块内的功能联系；耦合是软件结构中各模块之间相互连接的一种度量，耦合强弱取决于模块间接口的复杂程度、进入或访问一个模块的点以及通过接口的数据。

• 抽象 abstraction
  抽象是在模块化的基础上，将接口与内部实现分离，模块之间只需要通过抽线的接口进行调用，而无需关心模块内部实现。

模块需要保证宽进严出

• 分层 layering
  模块按照一定原则划分，约束每层内部模块间的交互方式与跨层次模块间的交互方式，从而有效减少模块之间的交互。
  模块只能和相邻层的模块交互。
• 层级 hierarchy
  另一种模块组织方式，将一些功能相似的模块组织在一起形成一个具有清晰接口的子系统。

操作系统内核架构包括：

• 简要结构
  FreeRTOS、DOS等
  应用和系统在一个地址空间，不需要内存管理和特权隔离。

• 宏内核
  Linux
  操作系统相关的所有模块（进程调度、内存管理、文件系统、驱动模块等）都处于内核态，只有用户程序和shell执行在用户态。
  模块化：可加载模块，例：驱动。
  抽象：Everything is a file.
  分层：Linux文件系统分层，设备驱动、块设备、虚拟文件系统和数据缓存做了明确区分。
  层级：资源管理器中的控制组。

• 微内核
  宏内核中的系统功能或模块从内核拆分出来，作为独立服务五部署到独立环境。
  异构性宏内核支持不好。
  确定性时延宏内核更高，因为资源隔离困难调用复杂，打补丁依然效果不够好。

  微内核效率比宏内核慢，但在安全性、可靠性方面要比宏内核好，在扩展性方面微内核也有优势。
  https://zhuanlan.zhihu.com/p/53612117

• 外核
  资源抽象和多路复用。

• 多内核

系统框架：Android和ROS
系统内核+系统框架构成操作系统。
Android使用Linux内核加入系统框架，框架包含硬件抽象（封装硬件技术细节）、Android库（提供了一些方便应用开发的自定义库和重新实现的glibc）、Android应用框架、运行环境（ART，将Android的Java字节码转换成可执行代码用）
ROS略。

参考链接

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