异常
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注：此处的异常是异常（内部且同步）和中断（外部且异步）的总称
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异常表（即中断向量表）：系统启动时，OS分配和初始化一张跳转表，可以根据异常号k定位到第k个条目，这个条目对应一个异常处理程序的入口地址
- 异常触发
- 异常触发：处理器触发异常，根据异常->异常号->查找异常表->定位异常处理程序的入口地址
- 保存环境：将内容保存到栈中
- 保存返回地址：有时是事件发生地址（pc），有时是事件发生地址的下一条地址（snpc=pc+4，假设没有压缩指令）
- 保存GPR：将中断程序所需的寄存器状态保存
- 栈：若指令的特权模式是U，则将内容保存到用户栈中，其余特权同理；但如果指令的特权模式从U->K，则会保存到内核栈中，其余特权转换同理
- 跳转到异常
- 异常处理程序的参数：通过寄存器和栈来传递（这里和函数调用类似）
- 如果后续需要执行上下文切换，异常处理程序还需要将旧ctx的栈改变为新ctx的栈
- 异常返回（可选）
- 异常返回：从栈中获取到返回地址，进行返回
- 恢复环境：从栈中获取到保存内容，进行恢复
- 异常的类别
- 内部异常（同步）：自陷trap、故障fault、终止abort
- 自陷：有意的异常，即系统调用（比如程序想要向内核申请服务），因为pc执行成功，所以总是返回到pc+4
- 故障：可恢复的错误，因为pc没有执行成功，为了重新执行以恢复状态，所以总是返回到pc
- 终止：不可恢复的错误，不返回
- 外部中断（异步）：中断interrupt
- 中断：来自IO设备的信号
- 系统调用与函数调用的区别：函数调用运行在用户模式，只能使用用户栈和用户级指令；而系统调用运行在内核模式，可以使用内核栈和内核级指令（系统调用范围>函数调用范围）
进程
- 并发流和并行流
- 物理内存、虚拟内存技术、虚拟地址空间
- 利用虚拟内存技术（页表+换入换出），可以将物理内存抽象为：每个进程私有的一块虚拟地址空间
- 虚拟地址空间的内核虚拟内存：结构和用户部分类似，都有代码、数据、运行时堆、栈
- 上下文切换
- 调度：在进程执行的某些时刻，内核可以决定抢占当前进程，然后重新开始一个先前被抢占了的进程
- 切换的来源：由内核或OS的调度器引发自陷（系统调用）来产生上下文切换，有些中断也能产生上下文切换
- 切换的原理：<见异常触发部分>
进程控制
- 进程状态：创建、就绪、运行、阻塞、终止、挂起（就绪挂起、阻塞挂起）
- 调度方式
- 低级调度：内存->CPU，就绪->运行
- 中级调度：外存->内存，阻塞挂起->阻塞/就绪挂起->就绪
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高级调度：外存->CPU，无->创建->就绪
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进程控制
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获取pid：getpid()、getppid()
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创建：exit(status)
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终止与回收：fork()（在父进程中返回创建的子进程的pid；在创建的子进程中返回0）、waitpid(pid)
- 如果子进程先终止：终止子进程==(未回收时)==>僵死进程，内核保留部分状态==(回收后)==>内核删除所有状态
- 如果父进程先终止：子进程==>孤儿进程，由init进程来收养（它的新的父进程变为init），并由init负责回收
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休眠：sleep(secs)、pause()
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加载并运行程序
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execve：加载可执行目标文件（比如elf），且带参数列表argv和环境变量列表envp。它和fork不同的是，它没有返回值。
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程序和进程的区别（execve和fork的区别）
- 程序的定义：是代码和数据，可以在磁盘中，也可以在elf的某几段中；程序运行在某个进程上下文中
- fork：在新的子进程中执行与父进程完全一致的程序（因为子进程是父进程的复制品），即==两个进程一个程序==
- execve：在当前进程中执行不同的新程序，即==一个进程两个程序==
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信号机制：暂时略
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阻塞机制：暂时略
物理内存与“虚拟内存技术”
- 物理寻址、虚拟寻址、地址空间
- 存储层次：
- 高速缓存是物理内存的缓存（在全相联SRAM上缓存）
- 物理内存是物理外存的缓存（利用虚拟内存和页表技术，在全相联DRAM上缓存）
内存是外存的缓存
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目的：将外存（如磁盘）中的部分内容缓存在内存中
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单元划分：
- 物理外存按块划分，称为物理块，它存在于外存中，它作为外存和内存之间的传输单元
- 虚拟内存按块划分，称为虚拟页（页，VP），它是外存的一个假想的数组（可以说它就在外存中）
- 它负责从外存中拿入一些物理块，然后向物理内存申请缓存它们；它负责从外存中拿出一些物理块，维护外存和内存的一致性
- 实际上一个物理块的每个字节都同时具有物理地址和虚拟地址，物理地址组成物理块的数组，虚拟地址组成虚拟页的数组
- 物理内存按块划分，称为物理页（页帧，PP），它存在于DRAM缓存中
- 使用DRAM的惩罚：miss的惩罚大、替换错误的惩罚大
- 所以DRAM一般使用读分配、写回写分配，使得尽量减少与外存的交互
- 单个虚拟页的三种状态：未分配、已缓存、未缓存
- 未分配：没有将虚拟页分配到物理块上，即虚拟页和物理块无映射（物理块<=>虚拟页）
- 未缓存：已将虚拟页分配到物理块上，但没有将虚拟页缓存至物理页上，即虚拟页和物理页无映射（物理块<=>虚拟页<==/=>物理页）
- 已缓存：已将虚拟页分配到物理块上，也已将虚拟页缓存至物理页上，即有映射（物理块<=>虚拟页<=>物理页）
- 映射关系的维护
- 页表可以维护”虚拟页<=>物理页“的映射关系
- 替换算法可以维护”物理块<=>虚拟页“的映射关系（通过换入换出）
页表
- 组成：由一个有效位和地址组成
- 当有效时，说明存在”虚拟页<=>物理页“的映射，此时根据虚拟页找到的地址应该指向物理页
- 即虚拟地址->页表索引->页表地址（不空闲）->物理页地址
- 当无效时，说明不存在映射，此时根据空闲虚拟页找到的地址应该指向虚拟也
- 即虚拟地址->页表索引->页表地址（空闲）->空闲的虚拟页地址
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虽然虚拟页在外存，但是页表存在于内存
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页命中流程
- CPU访问一个虚拟地址A
- 地址翻译硬件MMU将A转换为页表的索引，在页表中查找对应项
- 对应项的有效位为1，则页命中，说明内存缓存了该数据，页表给出对应的物理页地址
- CPU访问该物理页地址
- 页缺失流程
- CPU访问一个虚拟地址A
- 地址翻译硬件MMU将A转换为页表的索引，在页表中查找对应项
- 对应项的有效位为0，则页缺失，说明内存没有缓存该数据，触发缺页中断
- 中断处理程序会通过替换算法，进行页的换入换出（注：使用读分配、写回写分配的读写操作）
- 选出一个”牺牲页“，使用将内存的物理页写回到外存
- 然后将待访问的页，从外存调入到内存中
- 缺页程序会重新执行导致缺页中断的命令（此时返回地址就是pc，而不是pc+4）