Mechanism:Limited Direct Execution

Posted 2021-10-26 blackprience

虚拟化机制的几大挑战：1.性能。在实现虚拟化的同时不增加系统过多开销。2.控制。高效运行程序的同时对CPU保持控制（对资源的管理）。

Limited direct execution：直接在CPU中运行程序。因此，OS启动程序是首先在进程列表中创建一个process entry，为其分配内存，从磁盘中将代码加载到内存，找到main（）入口开始执行，完毕后执行return，OS释放内存，将进程从列表中删除。

这个方法会带来两个问题：1.OS如何保证一个程序在它有效运行时不做我们不允许它做的事情？2.OS如何将它停止，并切换到其他进程。

Peoblem #1限制操作

OS如何辨别类似open()或read()的系统调用？当你调用open()时，你是在执行C库中的一个procedure call。其中，无论是open()还是其他系统调用，库都会使用与内核达成一致的调用来将参数放入彼此都了解的位置（堆栈，特定寄存器），将系统调用号也放入公共位置，然后执行上述trap instruction。trap unpacks并返回值后，库中代码返回control给发出系统调用的程序。因此，进行系统调用的C库部分是在汇编中hand-coded，它们必须遵循约定处理参数并返回正确值，以及执行hardware-specific trap instruction。

 

当运行在CPU上的程序想执行一些限制操作（向磁盘发I/O，获取更多类似CPU或内存的系统资源）时？

有一种方式是对程序访问不加限制。这样影响构建不同的操作系统，如果构建一个检查访问文件权限的文件系统时，不能简单地让任何程序都向磁盘发出I/O。这里引入新的Processor mode——user mode，如果运行在user mode中，一进程无法发出I/O，如果坚持发出请求则导致处理器引发异常，OS可能杀死进程。另一个是kernel mode，OS运行的模式能使用特权指令。

如果user 进程想执行特权操作怎么办？线代硬件为用户程序提供执行系统调用（允许内核向user  process开放功能：访问文件系统，创建销毁进程，进程间通信，分配内存）的能力。

要执行系统调用，程序必须执行特殊的陷阱指令。该指令同时跳转到内核并将权限级别提升到内核模式;一旦进入内核，系统现在可以执行所需的任何特权操作（如果允许），从而为调用进程执行所需的工作（处理器将程序计数器，flags，registers放入每个程序内核栈）。完成后，操作系统会调用一个特殊的从陷阱返回指令（return-from-trap将值从堆栈中pop出并继续执行程序），正如您所料，该指令将返回到调用用户程序，同时将权限级别降低回用户模式。