受限直接执行 | 海音的日程档案

受限直接执行协议
- 为了使程序尽可能快地运行，OS使用了“受限直接执行(Limited Direct Execution)”的技术，其分为“直接执行”和“受限”两部分
直接执行
- 意义
  - 意为“直接在CPU上运行程序”
- 操作
  1. 当OS希望某个程序运行时，它会在进程列表内为其创建一个进程条目，给它分配一些内存，将程序代码从磁盘加载到内存里，找到程序入口（main函数等），然后从那里开始运行代码
  2. 在这个程序运行的时间片内，CPU直接在用户态下执行该程序的指令，获得极高的执行效率
受限
- 意义
  - 由于磁盘I/O、网卡I/O或申请更多资源（如CPU、内存） 等操作过于危险，它们不能被用户程序直接执行，而是需要操作系统代理它们执行
- 如何执行受限的操作
  - 方法：采用受保护的控制权转移
  - 前置科技树：
    - 处理器模式
      - 处理器有两种特权级别：
        
        用户模式(User Mode)
        
        用户模式下代码会受到限制，例如不能发出IO请求，否则可能会遭到终止
        
        内核模式(Kernel Mode)
        
        操作系统（或内核） 就是在内核模式下运行的
    - 陷阱表(Trap Table)
      - 操作系统在启动时会初始化陷阱表，将各种中断、异常、系统调用等与对应的处理代码关联起来，并告知CPU该表的位置，
      - 建立了操作系统处理每个特权事件的入口映射（类似键值对），也就是中断描述符表(IDT)
        
        陷阱指令：触发入口映射过程的指令（如INT 0x80）
        
        中断向量号：映射的索引（自变量、键）（如0x80）
        
        入口映射：从中断向量号映射到处理程序地址的数据结构
        
        处理程序：最终从陷阱命令联系到的处理程序（值）
  - 受保护的控制权转移如何操作
    1. 用户程序需要通过系统调用来进行受限制的操作
    2. 程序（用户级）需要执行一个陷阱指令，并传递系统调用编号和参数
    3. CPU响应这个陷阱指令，CPU从用户模式转为内核模式，根据陷阱表跳到预设的操作系统处理代码
    4. 内核中的操作系统执行这段代码，并将结果返回给用户程序
    5. 然后操作系统执行一个特殊的返回指令（如iret），CPU切换回用户模式，并且CPU的控制权重新给到用户程序
    6. 用户程序始终为用户级，操作系统始终为内核级，只有CPU从用户级跳到内核级再跳回用户级

受限直接执行协议

直接执行

受限