第六章 受限直接执行

如何高效、可控地虚拟化CPU？

一、受限直接执行

进程的运行

• 用户运行程序时，OS创建一个进程
• OS每次选择一个进程在CPU上运行一段时间
• OS将CPU时分共享给多个进程

基本方案：直接在CPU上运行程序

• 问题一：用户可能无意/有意地写出“错误”的程序

int *i;
i=0;*i=1;

• 问题二：OS如何拿回CPU的控制权？

int i=-1;
while(i<0) do sth;

如果进程希望做一些受限制的操作怎么办？

• 申请一次对磁盘的I/O操作
• 想要获取更多的系统资源

–> 采用受保护的控制权转移

• 用户模式（用户态）：Application不能访问所有Hardware资源
• 内核模式（内核态）：OS可以访问机器的所有资源

二、中断和异常

• 中断和异常是事件（Event）
  • 当OS启动后，所有对内核的访问都是由于事件导致的
• 内核为不同事件定义不同的处理程序
  • 事件发生后，转换为内核态，并调用处理程序
• CPU如何应对事件
  • 控制权交给处理程序
    • 控制程序保存程序状态，执行内核功能，回复程序状态，继续执行
• OS面对事件的处理流程

![https://pic.imgdb.cn/item/66cd4071d9c307b7e987b866.png)

• 什么是中断?（eg:I/O终端，时钟中断）
  • CPU收到的一种来自外部设备或软件指令的控制信号
  • 中断是异步的(与CPU当前指令无关)
  • 一般可以屏蔽

![https://pic.imgdb.cn/item/66cd4072d9c307b7e987b93c.jpg)

• 什么是异常?（eg:除零错，算术溢出）
  • 异常是CPU在执行指令时内部产生的一种信号，通常意味着某种意外事情的发生(也成为内中断)
  • 异常是同步的，不可屏蔽

中断向量表

中断向量表：一片存放中断处理程序入口地址的内存单元

![https://pic.imgdb.cn/item/66cd41e9d9c307b7e98afe54.png)

• 中断向量在内存中连续存放，起始地址一般记录在某特定寄存器
• 硬件按中断号的不同通过中断向量表跳转到相应处理程序中
• 中断向量一般由操作系统初始化程序(在内核态)进行设置

中断和异常：处理过程

1. 保存恢复点位置，切换到内核态，查中断向量表跳转到中断处理程序(由CPU硬件完成)
2. 执行中断处理程序
3. 执行中断返回指令:跳转到恢复点，同时切换回原特权级

中断和异常:处理过程(risc-v)

1. 将断点位置存入sepc;切换到S模式;设置寄存器scause为中断号;跳转到寄存器stvec
2. 根据scause执行对应的处理程序
3. 执行sret指令:跳转到sepc，同时切换回U模式

三、系统调用

系统调用允许内核小心地向用户程序暴露某些关键功能

• 访问文件系统
• 创建/销毁进程
• 分配更多内存

![https://pic.imgdb.cn/item/66cd4273d9c307b7e98c433e.jpg)

eg:

ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);

系统调用：实现

![https://pic.imgdb.cn/item/66cd4631d9c307b7e9933c26.jpg) ![https://pic.imgdb.cn/item/66cd4693d9c307b7e993805f.jpg) ![https://pic.imgdb.cn/item/66cd46c0d9c307b7e9939f40.jpg) ![https://pic.imgdb.cn/item/66cd474cd9c307b7e993fecf.jpg) ![https://pic.imgdb.cn/item/66cd488ed9c307b7e994e610.jpg)

四、操作系统运行模式

1）内核嵌入在用户进程中运行模式：每个进程有内核 栈（如Linux）

2）独立内核模式：内核可看作一个特殊的进程(如seL4)

优点：便于保证内核的正确性

缺点：内核的并发运行困难

3）微内核模式：内核的很多功能由用户态运行的系统 进程实现(如Minix 3)

优点：容错性好

缺点：开销大

小结

• 受限直接执行的概念
• 中断/异常处理的一般过程：恢复点、内核态、中断向量 表；中断处理程序；中断返回指令
• 系统调用和陷阱指令、控制权的转换
• 操作系统运行模式