为了提供Isolation，OS抽象硬件并对user提供这些抽象。
| Hardware | Abstraction |
|---|---|
| CPU Core | Process |
| Disk | File |
| Network Card | Socket |
| Physical Memory | Address Space |
Strong Isolation需要通过hardware实现。
hardware需要提供两个支持：
- User/Kernel Mode。
- Page Table(or Virtual Memory)。
处理器一般会有两种模式：
- User Mode（指令的执行受限制）。
- Kernel Mode（可以执行某些特权指令）。
NOTE:RISC-V还有一种Machine Mode。
NOTE:BIOS将在OS启动前启动，由他负责启动OS。
NOTE:Kernel通常也会在app的address space中，方便user使用system call时，传递app address space的memory。
System call是app将控制权交给kernel，并转化成kernel mode的方式。
在RISC-V这个指令是ECALL，接受一个number作为System Call Number。
例如，当调用fork()时，并不是真的执行fork的代码，而是将SYS_FORK放入参数寄存器a0使用ECALL指令。
ECALL将陷入kernel然后kernel通过检查a0寄存器，发现值SYS_FORK明白user想要新建一个process，调用相应的函数来完成fork。
NOTE:在x86、amd64这个指令是TRAP。
在hardware上有个寄存器记录了trap table（陷阱表）的地址。
hardware将通过trap table来判断应该跳转到哪个System Call。
Kernel主要有两种设计方式：
- Monolithic Kernel（宏内核）。
- Micro Kernel（微内核）。
将所有Kernel Module都集成在一个kernel process中。
优点：System Call只需要一次kernel/user mode切换，性能好。
缺点：
- 代码量大，导致容易出kernel bug。
- kernel为通用目的设置，拖累了其在特殊场合的性能。
- 提供的高层接口，应用对kernel没有太多的干预能力。
- 可扩展性差，用户很难更新kernel。
宏内核通常提供强大的抽象接口。
Kernel process只有最基础的几个模块（IPC及其他重要模块），其他模块都在user space中提供。
各个模块通过IPC来通信。
优点：
- 代码量小，kernel容易维护，不容易出bug，kernel更安全。
- 操作系统的组件更容易替换。
- 健壮性更强。
缺点：性能不佳，system call导致2次kernel/user mode切换，kernel模块之间不容易共享数据。
NOTE:在嵌入式系统或专门为某些用途设计的系统中，微内核系统通常比宏内核好。
L4只有7个System Call，大约13000行代码。
只有最少的基本抽象：
- Task - 对应其他系统的process，每个task可以有多个threads。
- IPC - 每个task都有一个标识符，task之间可以通过对方的标识符发送消息。
L4 System Call：
Thread Create- 创建线程并分配到指定地址空间，如果地址空间不存在那么就产生一个新的task。Send/Recv IPC- 发送、接收IPC消息。Mapping- 修改任意task地址空间的映射（需要权限）。Dev Access- 特权task可以将设备的控制寄存器映射到地址空间中。Intr- 将指定中断转换成发送给task的IPC消息。Page Fault- 将某个task的page fault转换成发送给task的IPC消息。Yield- 让出CPU直到某个事件发生。
在Micro Kernel中，IPC需要尽可能地快，系统的许多模块依赖IPC。
P1调用send()发送消息时，将消息复制到kernel的buffer中然后返回，当P2调用recv()时去kernel获取消息。
Asynchronize Buffered System（异步缓存系统）。
NOTE:这种方式比较慢。
P1调用send()时将等待P2调用recv()，当P1、P2都进入kernel，就如同产生一次context switch，同时kernel将直接把数据从P1的address space拷贝到P2的address space。
Synchronize Unbuffered System（同步非缓存系统）。
NOTE：如果消息非常小，还可以通过寄存器传递，而不需要拷贝内存，称为Zero-Copy。
NOTE：对于长信息L4可以携带一个Page Mapping，将P1的内存映射到P2中。
同时L4提供一个call()系统调用，将send()和recv()结合到一起，减少系统调用的开销。
为了使micro kernel获得完整的宏内核功能，最直接的方式是修改宏内核系统，然后将其作为一个user level process运行。
将宏内核的进程映射为微内核的进程，然后让宏内核process处理其他进程的system call。
NOTE:但是调度工作依旧由微内核完成。
IPC在System Call的占比越小（例如文件操作），微内核的性能越好（因为IPC对System Call的影响不明显了）。
混合内核将kernel的关键部分（例如虚拟内存、文件系统）使用宏内核的方式构建，其他部分（例如设备驱动程序）使用微内核的方式构建。
NOTE:Windows、macOS都采用了这种方式。
Compiler将C Source File编译成.S 汇编文件。
Assembler将.S 汇编文件编译成.O 二进制对象文件。
Linker将所有的.O链接到一起产生完整kernel可执行文件。
