介绍Minix3中的系统组织结构及进程实现。

概述

UNIX 的内核是一个部分模块的单块程序
MINIX 是微内核结构，是一组进程的集合，内核功能较少，进程之间以及用户进程之间使用进程级通信机制（IPC）进行通信
内部结构
- 注意：内核层的 system task 是系统任务，第二第三层统称为系统进程 system process
- 除了第一层为内核层，其他层都是user mode。
- 进程都潜在有一定特权，这是第二层、第三层、第四层内的进程的不同之处。
kernel call 与system call的区别
- 内核调用（kernel call）是由系统服务提供的以使驱动程序和服务器完成工作的低层函数。例如读硬件的I/O端口。
- system call 是用POSIX规范定义的高层调用，如read、fork和unlink，这些调用供第四层的用户程序使用。
- 用户程序包含很多POSIX调用，但不包含内核调用。

内核层（Kernel）

多数用 C 写，汇编负责内核直接与硬件交互的最底层部分。

主要功能是为上层驱动程序和服务提供一组特权内核调用。

内核

进程调度，负责进程在就绪态、运行态、阻塞态之间转换
处理进程间的消息
支持对 I/O 端口和中断的访问，在处理器中需要使用特权内核模式（kernel mode），这些指令在用户指令中是没有的。

时钟任务

类似设备驱动程序，与产生时钟信号的硬件交互
只提供内核接口，用户不能访问

系统任务

为驱动程序和服务器提供内核调用，用户进程不可调用
包括读写 I/O 端口、跨地址空间复制数据

设备驱动程序（Device Drives）

请求系统任务代表它们读写 I/O 端口
请求系统任务将读取的数据副本到另一个地址空间
实现操作系统工作一：管理资源

服务器进程（server processes）

进程管理器（Process Manage）

执行所有涉及或者终止进程的MINIX3系统调用，例如fork，exec和wait。
还负责执行与信号有关的系统调用，例如alarm和kill。
管理内存，如发出brk系统调用。

文件系统（File System）

执行文件系统的调用，如read，mount和chdir。
实现操作系统工作二：通过实现系统调用提供一个扩展的计算机（PM & FS）

信息服务器（information server）

负责提供其他驱动程序和服务器的调试和状态信息的工作。

再生服务器（reincarnation server）

启动或者重启那些不与内核一起加载到内存的设备驱动程序。

网络服务器（network server）

可以通过驱动程序来请求I/O。

用户进程（user processes）

如shell程序、编辑器、编译器和用户程序。
系统进程比用户进程拥有更高的执行优先级
Init进程
- 在系统引导时启动
Daemon 守护进程
- 周期性运行或总是等待某个事件的后台进程

MINIX3 中的进程管理

MINIX3 的启动

软盘

只有第一个分区可以引导（引导块，boot block），由它装入引导程序（bootstrap），引导程序很小，并装入一个更大的程序boot，由boot装入操作系统。

boot block -> bootstrap -> boot -> boot image

硬盘

可能包含很多分区，第一个扇区包含主引导记录。

主引导记录（master boot record）= 第1个扇区内的一小段程序（用于选择活动分区）+ 磁盘分区表（partition table）

程序部分被执行以读入分区表并选择活动分区，活动分区的第一个扇区有一个引导程序，被装入并执行以查找启动程序boot。

master boot record -> partition table -> active parttition -> boot block (扇区1) -> bootstrap-> boot -> boot image

在 BIOS 中设置启动盘的搜索顺序

软盘启动
硬盘启动
- 程序部分被执行读入分区表并选择活动分区，活动分区第一个扇区中的引导程序被装入执行并以查找并启动程序boot

boot

是MINIX3的磁极装入程序，不仅可以装入操作系统，而且作为一个金控程序，允许用户改变、设置和保存不同的参数。

引导映像（boot image）

MINIX3 的 boot 程序将在软盘或硬盘分区上找一个包含多个部分（各种程序，如PM、FS 等）的文件，并将各部分装到内存适当的位置。
引导映像的各个部分是独立的程序，内核、FS、PM、再生服务器必须是引导映像的一部分。
- 在初始化阶段，内核先启动系统任务和时钟任务，再启动进程管理器和文件系统，接着是其他一些服务器和驱动程序，这些都完成之后被阻塞，然后第1个用户进程 init 才开始运行。

进程树的初始化

Init 是第1个用户进程，也是作为引导映像（boot image）的一部分加载的最后一个进程
- init进程首先执行/etc/rc脚本，启动不在引导映像中的其他服务器和驱动程序。
- 其中一个使用程序为服务（service），是再生服务器的用户接口
- 最后启动守护进程
- init不是进程树的树根，其结构也不能判断系统进程的启动顺序
- 进程管理器是用户空间运行的第1个进程
- 再生服务器是其他所有再引导映像中启动的进程的父进程

MINIX3 中的进程间通信

原语
- Send
- Receive
- Sendrec
- 发送一条消息，并等待同一个进程的应答
实现：内核中的消息传递机制将消息从发送者复制到接收者
- 同步通讯：当一个进程发送消息到目标进程而目标进程并不在等待消息时，发送进程将阻塞，直到目标进程调用 receive 为止。
- 当 A 向 B 发送消息时，如果 B 向 A 发送消息，会导致死锁。
每个任务、驱动程序或服务器只允许与一些特定的进程通信
Notify
- 不阻塞消息发送
- 只发送一个很简单的通知，使用置位就可以存储。
- 异步通讯，可以避免死锁
- 消息通知（notification message）的简单性在于，不能被接受的通知可以很容易的存储起来，以便当接受者调用receive时可以收到这个通知。
- 实现
- 通过置位来接收，notify 只包含发送者信息和一个内核加上的时间戳

MINIX3 中的进程调度

结构：多级排队系统
- 共 16 个队列
- 最低优先级位 IDLE 进程，只在没有其他任务时运行
- 系统和时钟任务处于最高优先级队列中
- 驱动程序和服务器进程通常具有一个较大的时间片，通常是运行结束被阻塞而非时间片到了被中断
- 只有当前一个队列中没有就绪的程序时，才会转向下一个队列
- 优先级调度 + 改进的轮转调度算法
- 进程的优先级可根据实际情况调整

参考资料

Operating System:Design and Implementation,Third Edition

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