操作系统简介

我们为什么需要操作系统？

最早的计算机是没有操作系统的，程序以独占的方式运行于硬件之上。

然而，当我们希望在一个硬件上运行多个程序时，资源的分配成了一个大问题。如对于内存资源，程序之间无法协商使用的内存，如果两个程序同时使用同一块内存，那么两个程序都很可能会发生错误。

因此，一个可以统一管理各种资源的程序是相当重要的。这个程序就是我们现在所说的操作系统。

操作系统功能

需要注意的是，操作系统本质上就是一个程序，在本质上和其他程序没有区别。操作系统不是魔法，所有的功能都是利用了硬件特性结合软件工程实现的。

下面我们会对一些核心的功能进行简单介绍。

用户态/内核态

你可能会问，虽然说操作系统本质上就是一个程序，那么其他程序怎么不能成为操作系统呢？如果其他程序能成为操作系统，那么操作系统的资源管理不就无法完成了吗？

实际上，一个程序是否能成为操作系统，取决于其所在的特权状态。如果没有特权，那么这个程序就是普通的用户态程序。

特权状态及其转移是通过硬件（或者模拟硬件的软件）实现的。也就是说，硬件维护了一个特权状态，并且提供了一些切换特权的方式。

从高特权级到低特权级是可以很轻易完成的，因为这个操作中权限是严格变小的。反过来，从低特权级到高特权级的操作也是经常发生的。这可能有一些反直觉，为什么可以从低特权级别转到高特权级别呢？要回答这个问题，我们需要思考为什么需要从低特权切换到高特权。注意到当我们主动地需要操作系统做一些事情¹时，那么我们就是需要从低特权的用户程序进入到高特权的内核。为了防止出现低特权级别程序获得高特权后做一些破坏性的事情，我们会限制切换特权级后 PC 的值。

在 RISCV 中，一共有 4 个特权等级，从高到低分别是 machine mode、hypervisor mode（给虚拟机预留，我们内核用不到）、supervisor mode 和 user mode。

Machine mode 负责处理一些非常底层的工作，比如 timer interrupt。

Supervisor mode 即为内核所在的特权级，会完成内核绝大多数的工作。

User mode 为用户程序所在的特权级。

RISCV 根据不同的需求，设计了一套同步和一套异步的切换机制，具体参见陷入 (Trap)、中断 (Interrupt) 与异常 (Exception) 介绍。

内存管理

内存管理是内核中很重要的一个功能。

管理用户态程序的方法是使用虚拟内存。虚拟内存地址空间由页表控制，可以控制每个页面的访问权限（读/写/执行），以及其他控制权限。页表由内核控制。

除了管理用户态程序的地址空间，内核还需要处理内存的分配。内存分配对象是内核以及所有用户态程序。内核需要负责分配和回收内存。

进程管理

进程是资源管理的基本单位。内核中需要管理好每个程序使用的资源。

外部设备管理

除了上面的哪些功能，内核还需要管理硬件，并为用户态程序做好设备的抽象，方便设备的使用。

操作系统流程

一个操作系统从入口点开始大致需要做下面的几个事情：

1. 设置正确的环境（包括中断等）；
2. 进入内核所在的特权级；
3. 进行内核组建的初始化；
4. 运行第一个应用程序；
5. 为所有的应用程序服务，并对应用程序进行合理的调度。