現代作業系統 原理與實作（銀杏書）—— 概述、arm硬體結構

概述

作業系統的共性

• 從硬體的角度來看：
  • 管理硬體

    将硬體資源納入統一的管理

  • 對硬體提供抽象

    将有限的、離散的資源抽象成無限的、連續的資源

• 從應用的角度來看：
  • 服務于應用

    提供了不同層次的接口（系統調用）以滿足應用的需求

  • 管理應用

    對應用的生命周期進行管理（加載、啟動、切換、排程、銷毀）

作業系統接口

• 系統調用接口
  • 應用程式通過系統調用向作業系統核心申請服務
• POSIX接口
  • Portable Operating System Interface for uniX （可移植作業系統接口）

ChCore：一個簡單的實驗作業系統

• ChCore包括兩個部分：
  • 運作在核心态的ChCore為核心
  • 運作在使用者态的各種作業系統服務

ARM硬體結構

AArch64中特權級

AArch64的特權級别分類

• AArch64中的特權級别被稱為異常級别，共四種：

• EL0：
  • 使用者态
• EL1
  • 核心态
• EL2
  • 虛拟機監控器（VMM，也稱為Hypervisor）
• EL3
  • 和TrustZone相關，負責普通世界（normal world）和安全世界（secure world）之間的切換

從EL0到EL1的場景

1. 系統調用
2. 指令觸發異常（exception）
3. CPU收到中斷（interrupt）

前兩種屬于同步的CPU特權級切換，是由CPU中正在執行的指令導緻的

第3種稱為異步的CPU特權級切換

儲存現場的狀态

• 在發生特權級切換時，CPU負責儲存目前執行狀态，以便作業系統核心在處理異常時使用，并在處理之後恢複應用程式的執行。
• 要儲存的内容包括：

1. 觸發異常的PC， 儲存在ELR_EL1（異常連結寄存器）
2. 異常原因， 儲存在ESR_EL1（異常症狀寄存器）
3. 棧指針從SP_EL0切換到SP_EL1
4. 其他狀态：CPU的相關狀态儲存在SPSR_EL1（已儲存的程式狀态寄存器），引發缺頁異常的位址儲存在FAR_EL1（錯誤位址寄存器）

異常向量表

• 異常向量表中為不同的異常類型配置相應的異常處理函數
• 發生特權級切換時，CPU讀取VBAR_EL1（向量基位址寄存器）來獲的異常向量表的基位址，根據異常原因（ESR_EL1中儲存的内容）調用相應的異常處理函數。

AArch64寄存器

• 31個64位通用寄存器： X0 ~ X30

  其中：

  • X29：棧指針寄存器（FP）
    • 儲存函數調用過程中棧頂的位址
  • X30：連結位址寄存器（LP）
    • CPU在執行函數調用指令bl時，會把傳回位址儲存在其中

• EL1特權級下有兩個頁表基址寄存器（TTBR）

  負責翻譯虛拟位址空間中不同的位址段。

  • TTBR0_EL1
  • TTBR1_EL1

實體緩存

相聯度

• 組相聯 = 組内全相聯，組間直接映射

  = 路内直接映射， 路間全相聯

緩存結構

• CPU緩存是由若幹個==緩存行（cache line）==組成的（常見64B）
• 實體位址包括分為三個部分：

  tag	index	offset
  路（way）	組（set）	緩存行内偏移量

AArch64緩存尋址

• 實體位址長度44位（2^44）
• 緩存大小為32KB（2^15）
• 緩存行大小為64B（2^6）
  • 緩存内有2^9=512個緩存行
• 2路組相聯
  • 分成256個組（組間直接映射）
  • 每個組2個緩存行（組内全相聯）
• 尋址過程：
  1. 先定位組（對比index部分）
  2. 找到組後，在組内找塊（對比tag部分）

裝置與中斷

記憶體映射輸入輸出（MMIO Memory-Mapped I/O）

把輸入輸出裝置和實體記憶體放到同一個位址空間，為裝置内部的記憶體和寄存器也配置設定相應的位址。

輪詢與中斷