為什麼要使用操作系統 使用操作系統的主要原因是為了實現 CPU 多進程分時復用以及記憶體隔離 如果沒有操作系統，應用程式會直接與硬體進行交互，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 核上運行，但是同時其他程式也需要運行，因為沒有操作系統來幫助切換，就需 ...
為什麼要使用操作系統
- 使用操作系統的主要原因是為了實現 CPU 多進程分時復用以及記憶體隔離
- 如果沒有操作系統，應用程式會直接與硬體進行交互，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 核上運行，但是同時其他程式也需要運行，因為沒有操作系統來幫助切換，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數有一個死迴圈，那它就永遠也不會釋放 CPU，甚至沒辦法做到運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 多進程的分時復用
- 還有從記憶體的角度來看，如果應用程式直接運行在硬體上，則程式的數據代碼都直接保存到物理記憶體中，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存儲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
操作系統的隔離性需要隔離用戶程式和操作系統，也需要隔離不同的進程
系統調用與隔離性
- 可以認為
exec抽象了記憶體。當我們在執行 exec 系統調用的時候，我們會傳入一個文件名，而這個文件名對應了一個應用程式的記憶體鏡像。記憶體鏡像裡面包括了程式對應的指令，全局的數據。應用程式可以逐漸擴展自己的記憶體，但是應用程式並沒有直接訪問物理記憶體的許可權，例如應用程式不能直接訪問物理記憶體的 1000-2000 這段地址。不能直接訪問的原因是，操作系統會提供記憶體隔離並控制記憶體，操作系統會在應用程式和硬體資源之間提供一個中間層。exec 是這樣一種系統調用，它表明瞭應用程式不能直接訪問物理記憶體。
files基本上是抽象了磁碟。應用程式不會直接讀取磁碟，在 Unix 中它與存儲系統交互的唯一方式就是通過files。操作系統會決定如何將文件與磁碟中的塊對應，確保一個磁碟塊只出現在一個文件中，並保證用戶 A 不能操作用戶 B 的文件。files 實現了不同用戶之間以及同一用戶不同進程之間的文件隔離。
硬體實現強隔離性
實現強隔離性的硬體支持包括了兩部分：
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user/kernel mode：處理器有兩種操作模式：user mode 和 kernel mode：
- 當運行在 kernel model 時，CPU 能運行特定許可權的指令（直接操作硬體的指令和設置保護的指令，如設置 page table 寄存器、關閉時鐘中斷）
- 當運行在 user mode 時，CPU 只能運行普通許可權的指令
RISC-V 實際上有三種許可權：user/kernel/machine mode
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在 RISC-V 中，如果你在用戶空間（user space）嘗試執行一條特殊許可權指令，用戶程式會通過系統調用來切換到 kernel mode。當用戶程式執行系統調用，會通過 ECALL 觸發一個軟中斷（software interrupt），軟中斷會查詢操作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。中斷處理程式在內核中，這樣就完成了 user mode 到 kernel mode 的切換，並執行用戶程式想要執行的特殊許可權指令
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虛擬記憶體：每個進程都有自己獨立的 page table，page table 將虛擬記憶體地址和物理記憶體地址做了對應
ECALL 指令
- 在 RISC-V 中，
ECALL指令可以讓用戶程式將控制權轉移給內核，並傳入一個數字，這個數字表示了應用程式想要調用的 System Call ECALL會跳轉到內核中一個特定的位置，在內核側，有一個位於syscall.c的函數syscall，每一個從應用程式發起的系統調用都會調用到這個syscall函數，syscall函數會檢查ECALL的參數
內核是如何奪回控制權
- 內核會通過硬體設置一個定時器，定時器到期之後會將控制許可權從用戶空間轉移到內核空間，之後內核就有了控制能力並可以重新調度 CPU 到另一個進程中
巨集內核 vs 微內核
巨集內核
XV6 中，所有的操作系統服務都在 kernel mode 中，這種形式被稱為巨集內核
- 從安全的角度來說，這種方式不太好，在一個巨集內核中，任何一個操作系統的 Bug 都有可能成為漏洞，如果有許多行代碼運行在內核中，那麼出現嚴重 Bug 的可能性也變得更大
- 巨集內核的優勢在於可以將文件系統、虛擬記憶體、進程管理這些實現特定功能的子模塊緊密地集成在一起，這樣可以提供很好的性能
微內核
微內核模式下，在內核中只有非常少的模塊，將內核中的其他部分作為普通的用戶程式來運行
- 這樣做的好處是內核中的代碼數量較小，降低了 bug 出現的可能
- 如果用戶程式想要使用內核的功能，但由於內核的程式作為普通的用戶程式，比如說某個系統想要使用文件系統，需要完成從用戶空間到內核空間，再從內核到用戶空間來訪問文件系統，文件系統也需要經過同樣的路徑將消息返回給用戶系統，使得在微內核從用戶到內核的跳轉是巨集內核的兩倍，而反覆跳轉帶來了性能的損耗，且微內核的內核程式被隔離開，難以實現共用，降低了系統的性能。
XV6 代碼結構
代碼主要由三部分組成：
kernel：包含了基本上所有的內核文件user：這基本上是運行在 user mode 的程式mkfs：會創建一個空的文件鏡像，將這個鏡像存在磁碟上，就可以直接使用一個空的文件系統
kernel 編譯過程
Makefile讀取一個 C 文件，比如proc.c，然後調用 gcc 編譯器，生成一個叫proc.s的文件，這是 RISC-V 彙編語言文件，然後再走到彙編解釋器，生成proc.o，這是彙編語言的二進位格式，Makefile會為所有內核文件做相同的操作- 系統載入器收集所有的.o 文件，將它們鏈接在一起並生成內核文件
