操作系统简介 ¶

中断和陷阱 ¶

硬件中断 ¶

• 外部 IO 设备有事情要通知 CPU 进行处理，通过中断完成
• 硬件部分：
  • CPU 内部有中断控制器
  • IO 通过硬件连线向中断控制器发送信号
  • CPU 发现有中断在 pending
  • CPU 将 pc 设置为中断向量开始的位置
• 软件部分：
  • 跳转的位置存放了中断处理程序（Interrupt Service Routine，ISR）
  • 关掉中断（不希望在处理中断的时候再次出现中断时被 CPU 跳转 pc）
  • 检查目前是什么中断，并且 dispatch 到指定的处理程序（interrupt handler）
  • 上下文处理：
    • 在中断处理前要保存上下文（pc 等系列寄存器）
    • 处理后恢复上下文，继续执行原来程序

陷阱 ¶

• trap，又叫软中断（soft interrupt）
• 硬件中断，由硬件产生，有外设硬件事件要处理
  • 是一个异步事件（asynchronous），即无法预测出现的时间
• trap 由软件产生，可能是运行出现了错误或者用户显式地请求中断
  • 是一个同步时间（synchronous）
  • 例如：系统调用，divided-by-zero 异常……

操作系统是 interrupt-driven 的

• 特殊的中断：计时器中断
• 定时产生计时器中断，让操作系统内核得到机会运行，进行评估、调度
• 否则如果没有其它中断产生，则用户态程序会一直运行占用资源，操作系统也没有机会介入管理

中断处理 ¶

• 先进行 CPU 执行状态的保存
  • 将 pc 等寄存器保存在内存中
• 两种处理机制
  • vectored interrupt system：
    • 硬件中断产生不会到统一的地址
    • 记录一个中断向量基地址，后面依次存储各个中断号对应的处理程序地址
    • 直接根据中断号来计算偏移，跳转到对应的处理程序中
  • polling：
    • 所有中断都跳转到统一的地址
    • 由软件来区分中断种类，决定如何处理等
• 处理后恢复执行状态
  • 恢复 pc 等寄存器，继续回去执行
  • 或者恢复其它进程的寄存器，实现调度

I/O 处理 ¶

• 用户态程序想要操作外设
  • 通过系统调用（system call）来告诉 CPU 要操作外设
• 操作系统通过 MMIO（Memory Mapping I/O）来操纵外设
• 两种支持的 I/O 处理方式：
  • 同步 I/O（synchronous I/O）：进行 I/O 的时候 block 掉当前请求 I/O 的程序，等待 I/O 结束（可能会调度运行另一个程序）
    • 常用，易用，但不高效
  • 异步 I/O（asynchronous I/O）：即使 I/O 没有完成，仍然继续运行原程序，当 I/O 完成时，执行用户态定义的 callback 回调函数
    • 高效，常用于处理大量网络请求时

DMA¶

• 比如 CPU 想让显卡在显示器上显示数据
  • 正常情况
    • CPU 将大量数据依次搬运到显卡对应的内存空间上
    • 期间 CPU 只做这一件事，无法运行其它程序
  • 通过 DMA（Direct Memory Access）
    • CPU 告诉显卡的 DMA 控制器要搬运的数据在哪、有多长
    • DMA 控制器会进行大量数据的搬运
    • 此时 CPU 可以进行其它运算
    • 完成后通过中断来通知 CPU
• 有 DMA 可以在没有 CPU 参与的情况下进行大量数据的搬运
• 问题
  • 各个设备都有自己的 DMA 控制器，在 DMA 控制器进行数据搬运的时候全部的物理内存都暴露给了外设
    • 通过内存和 DMA 直接额外的硬件 IOMMU（I/O 内存管理单元）来控制可以访问哪些物理内存

多模式操作 ¶

• 两个模式（也有更多的）
  • 用户态（user mode）
  • 内核态（kernel mode）
• CPU 中会存储相应值来记录当前的模式
• 一些指令是有特权级的，只能在内核态执行
• system call
  • 通过 trap 来转到内核态
  • 在 kernel 中执行指定操作
  • 再返回用户态继续执行

另一个视角 ¶

• 程序运行时 OS 在干什么
  • 使程序正常运行
  • 允许程序使用、共享存储
  • 允许程序和外设进行沟通
• 在做“虚拟化”（Virtualization）的事情
  • 给用户态程序提供虚拟的运行环境
  • 使用户态程序认为自己可以拥有全部 CPU 资源、IO 资源等
• 程序可以通过 syscall 来与 OS 打交道

嘛，后面还有一堆感觉很长时间内不会用到、不会学到的导论内容，就不记了