概述

操作系统的共性

• 从硬件的角度来看：
  • 管理硬件

    将硬件资源纳入统一的管理

  • 对硬件提供抽象

    将有限的、离散的资源抽象成无限的、连续的资源

• 从应用的角度来看：
  • 服务于应用

    提供了不同层次的接口（系统调用）以满足应用的需求

  • 管理应用

    对应用的生命周期进行管理（加载、启动、切换、调度、销毁）

操作系统接口

• 系统调用接口
  • 应用程序通过系统调用向操作系统内核申请服务
• POSIX接口
  • Portable Operating System Interface for uniX （可移植操作系统接口）

ChCore：一个简单的实验操作系统

• ChCore包括两个部分：
  • 运行在内核态的ChCore为内核
  • 运行在用户态的各种操作系统服务

ARM硬件结构

AArch64中特权级

AArch64的特权级别分类

• AArch64中的特权级别被称为异常级别，共四种：

• EL0：
  • 用户态
• EL1
  • 内核态
• EL2
  • 虚拟机监控器（VMM，也称为Hypervisor）
• EL3
  • 和TrustZone相关，负责普通世界（normal world）和安全世界（secure world）之间的切换

从EL0到EL1的场景

1. 系统调用
2. 指令触发异常（exception）
3. CPU收到中断（interrupt）

前两种属于同步的CPU特权级切换，是由CPU中正在执行的指令导致的
第3种称为异步的CPU特权级切换

保存现场的状态

• 在发生特权级切换时，CPU负责保存当前执行状态，以便操作系统内核在处理异常时使用，并在处理之后恢复应用程序的执行。
• 要保存的内容包括：

1. 触发异常的PC， 保存在ELR_EL1（异常链接寄存器）
2. 异常原因， 保存在ESR_EL1（异常症状寄存器）
3. 栈指针从SP_EL0切换到SP_EL1
4. 其他状态：CPU的相关状态保存在SPSR_EL1（已保存的程序状态寄存器），引发缺页异常的地址保存在FAR_EL1（错误地址寄存器）

异常向量表

• 异常向量表中为不同的异常类型配置相应的异常处理函数
• 发生特权级切换时，CPU读取VBAR_EL1（向量基地址寄存器）来获的异常向量表的基地址，根据异常原因（ESR_EL1中保存的内容）调用相应的异常处理函数。

AArch64寄存器

• 31个64位通用寄存器： X0 ~ X30
  其中：
  • X29：栈指针寄存器（FP）
    • 保存函数调用过程中栈顶的地址
  • X30：链接地址寄存器（LP）
    • CPU在执行函数调用指令bl时，会把返回地址保存在其中
• EL1特权级下有两个页表基址寄存器（TTBR）
  负责翻译虚拟地址空间中不同的地址段。
  • TTBR0_EL1
  • TTBR1_EL1

物理缓存

相联度

• 组相联 = 组内全相联，组间直接映射

  = 路内直接映射， 路间全相联

缓存结构

• CPU缓存是由若干个==缓存行（cache line）==组成的（常见64B）
• 物理地址包括分为三个部分：

  tag	index	offset
  路（way）	组（set）	缓存行内偏移量

AArch64缓存寻址

• 物理地址长度44位（2^44）
• 缓存大小为32KB（2^15）
• 缓存行大小为64B（2^6）
  • 缓存内有2^9=512个缓存行
• 2路组相联
  • 分成256个组（组间直接映射）
  • 每个组2个缓存行（组内全相联）
• 寻址过程：
  1. 先定位组（对比index部分）
  2. 找到组后，在组内找块（对比tag部分）

设备与中断

内存映射输入输出（MMIO Memory-Mapped I/O）

把输入输出设备和物理内存放到同一个地址空间，为设备内部的内存和寄存器也分配相应的地址。

轮询与中断