2024-秋冬季开源操作系统训练营第三阶段总结-曹展豪

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+title: 2024 秋冬季开源操作系统训练营第三阶段总结-曹展豪
+date: 2024-12-01 22:45:53
+tags:
+    - author: caozhanhao
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+# 🤔 第三阶段 - 组件化操作系统
+这一阶段正好学校里有考试，ddl也比较多，学习的时间稍微少了一些，效果感觉差了一些。希望在第四阶段补全短板，增进对技术的理解。
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+<!-- more -->
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+完整的博客在[这里](https://mkfs.tech/index.php/archives/30/)。
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+## 内核模式
+![1.png](https://mkfs.tech/usr/uploads/2024/12/14276843.png)
+其中 Unikernel 的应用与内核处于同一特权级，且共享同一地址空间，最终编译形成一个Image，一体运行。
+而其他的内核大多应用与内核隔离特权级运行，具有独立的地址空间，最终是不同的Image，独立运行。
+
+## PFlash
+Qemu的PFlash模拟闪存磁盘，启动时自动从文件加载内容到固定的MMIO区域，而且对读操作不需要驱动，可以直接访问。
+![2.png](https://mkfs.tech/usr/uploads/2024/12/290153810.png)
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+## TLSF (Two-Level Segregated Fit)
+![3.png](https://mkfs.tech/usr/uploads/2024/12/2778956413.png)
+- First Level: 每一位对应一个范围的内存块，示例中分别对应24 ~ 231。1表示空闲。图中两个1。
+- Second Level: 有几位就表示几等分。例如， 26表示64~127，然后进行4等分就是64~79, 80~95, 96~107, 108~127，每一位对应一个范围，同样1表示空闲。
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+[TLSF——一种简单高效的内存池实现](https://zhuanlan.zhihu.com/p/658922989)
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+## Buddy
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+![5.png](https://mkfs.tech/usr/uploads/2024/12/279611250.png)
+![4.jpg](https://mkfs.tech/usr/uploads/2024/12/1916612972.jpg)
+
+分配时寻找匹配alloc需要(order)的最小块。如果order大于目标，则二分切割，直至相等，每级剩余的部分挂到对应的Order List
+释放时查看是否有邻居空闲块，有则尽可能向高Oder合并，直至无法合并，挂到OrderList。
+
+[内存分配\[二\] - Buddy系统的原理](https://www.zhihu.com/column/p/73562347)
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+## Slab
+
+![6.png](https://mkfs.tech/usr/uploads/2024/12/1942286885.png)
+
+分配时从 block 空闲链表中弹出一个 block。
+依靠 Buddy 分配器提供内存分配支持，初始时以及 block 不足时，从 BuddyAllocator 申请，分割 block 后加入 block 空闲链表。
+
+Slab 分配器分配内存以字节为单位，基于 Buddy 分配器的大内存进一步细分成小内存分配。换句话说，Slab 分配器仍然从 Buddy 分配器中申请内存，之后自己对申请来的内存细分管理。
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+[Linux 内核 | 内存管理——slab 分配器](https://zhuanlan.zhihu.com/p/358891862)
+
+## 基于 Unikernel 的最小化宏内核
+
+![7.png](https://mkfs.tech/usr/uploads/2024/12/4058348040.png)
+
+需要的增量工作：
+1. 用户地址空间的创建和区域映射
+2. 在异常中断响应的基础上增加系统调用
+3. 复用 Unikernel 原来的调度机制，针对宏内核扩展 Task 属性
+4. 在内核与用户两个特权级之间的切换机制
+
+## 兼容 Linux 应用
+![9.png](https://mkfs.tech/usr/uploads/2024/12/3505897926.png)
+
+在应用和内核交互界面上实现兼容。
+兼容界面包含三类：
+1) syscall
+2) procfs & sysfs等伪文件系统
+3) 应用、编译器和libc对地址空间的假定，涉及某些参数定义或某些特殊地址的引用
+
+## 应用的用户栈初始化
+Linux应用基于glibc/musl-libc等库编译，libc在调用应用的main之前，检查用户栈上的参数等内容。
+而应用启动之后，也可能会调用这些参数。内核需要在切换到首应用前，为应用准备栈上内容。
+![8.png](https://mkfs.tech/usr/uploads/2024/12/3876172031.png)
+
+## Hypervisor
+Hypervisor与模拟器Emulator的区别:
+![10.png](https://mkfs.tech/usr/uploads/2024/12/2548801357.png)
+根据1974年，Popek和Goldberg对虚拟机的定义, 虚拟机可以看作是物理机的一种高效隔离的复制，蕴含三层含义：同质、高效和资源受控。同质要求ISA的同构，高效要求虚拟化消耗可忽略，资源受控要求中间层对物理资源的完全控制。Hypervisor必须符合上述要求，而模拟器更侧重的是仿真效果，对性能效率通常没有硬性要求。其根本区别是虚拟运行环境和支撑它的物理运行环境的体系结构即ISA是否一致。
+
+两种类型的虚拟化：
+![2024-12-01T11:20:17.png](https://mkfs.tech/usr/uploads/2024/12/2647307308.png)
+
+## Riscv64在特权级模式的H扩展
+
+![2024-12-01T11:22:58.png](https://mkfs.tech/usr/uploads/2024/12/4036930211.png)
+![2024-12-01T11:23:02.png](https://mkfs.tech/usr/uploads/2024/12/384826824.png)
+
+特权级从三个扩展到五个，新增了与Host平行的Guest域
+
+- 原来的S增强了对虚拟化支持的特性后，称它为HS。
+- M/HS/U形成Host域，用来运行I型Hypervisor或者II型的HostOS，三个特权级的作用不变。
+- VS/VU形成Guest域，用来运行GuestOS，这两个特权级分别对应内核态和用户态。
+- HS是关键，作为联通真实世界和虚拟世界的通道。体系结构设计了双向变迁机制。
+
+H扩展后，S模式发送明显变化：原有s[xxx]寄存器组作用不变，新增hs[xxx]和vs[xxx]
+hs[xxx]寄存器组的作用：面向Guest进行路径控制，例如异常/中断委托等
+vs[xxx]寄存器组的作用：直接操纵Guest域中的VS，为其准备或设置状态
+![2024-12-01T11:23:51.png](https://mkfs.tech/usr/uploads/2024/12/2915643031.png)
+
+## Guest与Host的地址空间关系
+Guest是指虚拟机所在的执行环境；Host指Hypervisor所处的执行环境。
+Hypervisor负责基于HPA面向Guest映射GPA，基本寄存器是hgatp；
+Guest认为看到的GPA是“实际”的物理空间，它基于satp映射内部的GVA虚拟空间。
+![2024-12-01T11:26:25.png](https://mkfs.tech/usr/uploads/2024/12/3804255383.png)
+![2024-12-01T11:26:54.png](https://mkfs.tech/usr/uploads/2024/12/1144908403.png)
+
+## 虚拟机的时间中断
+物理环境或者qemu模拟器中，时钟中断触发时，能够正常通过stvec寄存器找到异常中断向量表，然后
+进入事先注册的响应函数。但是在虚拟机环境下，宿主环境下的原始路径失效了。有两种解决方案：
+1. 启用 RISC-V AIA 机制，把特定的中断委托到虚拟机 Guest 环境下。要求平台支持，且比较复杂。
+2. 通过中断注入的方式来实现。如下例
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+![2024-12-01T11:40:43.png](https://mkfs.tech/usr/uploads/2024/12/2020345139.png)
+
+需要实现两部分的内容：
+1. 响应虚拟机发出的SBI-Call功能调用SetTimer
+2. 响应宿主机时钟中断导致的VM退出，注入到虚拟机内部
+![2024-12-01T11:45:03.png](https://mkfs.tech/usr/uploads/2024/12/1158020441.png)