操作系统

简介

在 B 站刷视频的时候发现自己大学的知识像没学一样，回头捡捡操作系统。

xv6 教学操作系统的安装

首先可以通过如下命令安装相关依赖并拉取项目进行编译

sudo apt update
sudo apt upgrade -y 
sudo apt install build-essential qemu-system -y
git clone https://github.com/mit-pdos/xv6-public.git
cd xv6-public
make

在编译完成后即可使用如下命令进入系统：

1	`make qemu-nox`

注：退出系统时则需要同时按住 Ctrl + A 然后松开，接着按下 X 即可退出虚拟机。

如果需要清除之前编译的内容则可以使用如下命令：

1	`make clean`

进程

一个 xv6 进程由两部分组成，一部分是用户内存空间（指令，数据，栈），另一部分是仅对内核可见的进程状态。

而在 Linux 中也类似，进程内存空间分成以下两个不同区域：

内核空间 (Kernel Space)：这是操作系统（内核）的核心所在的内存受保护区域。内核负责管理硬件、调度任务以及为应用程序提供基本服务。内核空间是共享的，并且对于所有进程都是相同的。
用户空间 (User Space)：这是您的应用程序及其数据所在的位置。出于安全原因，应用程序无法直接访问内核空间。每个进程都有其自己的隔离用户空间，确保一个进程不会干扰另一个进程的内存。

对与每个进程来说，它的用户空间其实是一个内存沙箱(sandbox)。虚拟地址会通过页表映射到物理内存。具体结构如下：

线程内存结构图

注：样例图片是基于 32 位系统进行表述的，64 位系统暂时没找到说明。

虚拟内存和页表(Page tables)

在 xv6 中为了保证系统安全所以需要对进程的空间进行隔离。对于每个应用程序来说获取到的内容都是地址空间。通过地址管理单元（Memory Management Unit）或者其他的技术，可以将每个进程的虚拟地址空间映射到物理内存地址。

页表是一种在一个物理内存上，创建不同的地址空间的常见方法。其是在硬件中通过处理器和内存管理单元（Memory Management Unit）实现的。

对于任何一条带有地址的指令，其中的地址应该认为是虚拟内存地址而不是物理地址。假设寄存器 a0 中是地址 0x1000，那么这是一个虚拟内存地址。虚拟内存地址会被转到内存管理单元（MMU，Memory Management Unit）内存管理单元会将虚拟地址翻译成物理地址。之后这个物理地址会被用来索引物理内存，并从物理内存加载，或者向物理内存存储数据。

为了能够完成虚拟内存地址到物理内存地址的翻译，MMU会有一个表单，表单中，一边是虚拟内存地址，另一边是物理内存地址。通常来说，内存地址对应关系的表单也保存在内存中。

页表会将内存分解为页(Page)和偏移量(offset)，通过页参数定位区块，通过偏移量参数定位字节。页参数+偏移量参数的总长度代表了实际支持的内存大小，一一般来说每个页的大小是 4 KB ，故偏移量参数就可以确定是 12 位。在处理器架构上会针对虚拟地址进行不同的长度设计。当页的数量过多的时候内存也会有不少的空间被浪费，所以可以通过将页参数进行分块处理例如可以将 27 位长度的分成 L2 , L1 , L0 三级。L2,L1 可以当作索引进行处理，L2 存储了 L1 的地址空间 L1 存储了 L0 的存储空间。

因为存在多级页表所以在检索的时候会调用多次页表，为了加速检索逻辑，处理器会使用页表缓存(Translation Lookaside Buffer) 将检索过的数载入缓存中。为了实现缓存的更新逻辑会流出缓存清除的指令。