** Minix3进程简介
终于要看看minix是怎么做的了，这一节给出一个系统的概览。Minix3中唯一的进程间通信原语就是前面提到
的消息传递方式。
*** 整体结构
总体上讲，Minix从下到上分为四个层次：内核层、驱动层、服务层和应用层。这四个层次中，只有内核层
运行在CPU的内核态，可以执行所有的指令。其它三个层次都运行在CPU的用户态，只能执行非特权指令。驱动层、
服务层和应用层进程的主要区别在于它们的权限（Minix定义的特权级别）不同，例如，驱动层可以调用访问IO
端口和中断的kernel call，而服务层不能。下面，我们依次看看这几个层次。
**** 内核层
这是minix中唯一运行在CPU特权态下的代码。内核层分为三个部分：
1. kernel：该部分包括具体操作IO端口、MMU、CPU等硬件的汇编代码(封装成C调用)，负责系统中所有
进程部分状态的维护和进程切换，负责进程间通信的实现；
2. clock task：时钟驱动，可以看成运行在内核地址空间的一个“进程”，这个驱动只与kernel打交道，
不对外层提供服务；
3. system task：另一个运行在内核空间的“进程”，它对上层提供服务，实现了一组kernel call，调用
这些kernel call需要特权，例如，不是所有的进程都可以调用读写IO端口的kernel call。
内核层向上层提供的接口就是这一组kernel call，用于帮助上层完成任务。kernel call其实是很底层的，
例如，读写IO端口、在不同的地址空间之间拷贝数据等，所以，minix定义了各个进程的特权，和哪些特权可以
访问哪些kernel call的规则。如果没有kernel call，很多功能无法实现在用户态进程中。
**** 驱动层
这一层包含了除时钟以外的设备驱动，每个驱动是一个独立的进程。这些进程具有最高的特权级别，可以
调用所有的kernel call，完成硬件的管理工作。某些驱动是随内核一并加载到内存并启动的，而另一些则是
在系统起来之后启动的。
**** 服务层
这一层包含了系统服务进程。其中一个比较有意思的是再生服务器，这个服务器启动那些不和内核一并启动
的驱动和服务，并且当某个服务/驱动出现异常时，自动重启它。这一层的服务，实现了POSIX定义的系统调用。
例如，和进程相关的绝大多数系统调用由PM实现，而与文件系统相关的绝大多数系统调用由FS实现。
**** 应用层
这一层是特权最小的进程。包括了所有非系统进程。其中，最重要的一个可能是init进程。
*** 进程管理
**** minix3的启动过程
启动，一般要首先找到启动介质，例如软盘、CD、硬盘、其它可移动存储设备等。当计算机找到第一个可启
动的软盘时，它会自动读取启动磁盘的第一个磁道的第一个扇区到内存，并开始执行其中的代码。这就是最初的
bootstrap代码，它通常非常小，非常简单，必须被包含在512Bytes的扇区中。Minix3的bootstrap代码的功能
是加载并启动一个更大的启动程序，boot，进而由后者加载并启动操作系统。
从硬盘启动的话还有一个中间步骤。硬盘是分区的。硬盘的第一个磁道的第一个扇区包含一小段
程序和分区表，这个扇区称为主引导扇区(Master boot record)。当计算机找到的第一个可启动的磁盘是
一个硬盘时，就会把这个MBR扇区加载到内存并开始执行其中的代码，MBR的代码遍历分区表，并找到第一个“
活跃分区”(activate partition)，加载那个分区的第一个扇区并执行其中的代码。后面的过程与前文描述的
类似。
如果找到的可启动介质是一个CD-ROM(因为CD出现在硬盘、软盘之后，支持CD启动的计算机可以从CD读取较大
的数据块，而不仅仅是一个扇区)，计算机会从CD加载一块数据，这块数据通常就是一个启动软盘的映像，加载后
作为RAM Disk使用，之后，启动过程就从这个RAM Disk开始，与软盘启动类似。
当boot程序被执行时，它会找一个指定的启动映像文件，这个文件包括多个部分。boot将各个部分加载到
特定的内存位置。其中，内核(包括clock task和system task)、PM、FS是最重要的三个部分，另外，映像中
至少要包含一个磁盘驱动。RS必须包含在启动映像中，为了方便，Log服务、tty驱动以及Init等驱动/服务通常
也包含在映像中。
进程树的初始化过程。内核被boot启动后，它会启动在其中的clock task和system task。
osdi书中给出的初始化过程比较老，新的初始化过程可能和它有些不同。这里列举一下结果现象：
进程号0不对应于任何一个进程，可见，这是一个特殊值，用于标记不存在。
PPID为0的进程一共有四个：
1. -1：kernel
2. -2：system
3. -3：clock
4. -4：idle
5. 1： init
猜测前四个为负数的任务应该是内核中的任务，与前文相比多了一个idle任务，可以理解。内核启动完属于
自己地址空间的任务后，启动的第一个用户态进程是init。
之后，我们看到，rs是init的子进程。而所有的驱动、系统服务都是rs的子进程。这应该是init通过rs的
service接口启动的。这样，当这些进程发生异常时，rs可以重启它们。
最后，init自己也会启动一些子进程，例如cron、update、getty等，这些作为init的子进程存在。用户的
其它进程也是init进程树中的进程。
**** 问题，怎么验证上面这个猜测？
从启动信息可见，BootImage中包含：kernel, ds, rs, pm, sched, vfs, memory, log, tty, mfs, vm,
pfs, init.
先来看看init的rc做了什么。
***** /etc/rc分析
这个文件就是init启动后理解开始执行的文件
1. 重定向，stdout和stderr都打印到/dev/log下，stdin是/dev/null；
2. 设置TERM、PATH、RC_TZ、umask；
3. rc定义的up函数使用service启动一个指定的服务，服务一定在/sbin/下面。
4. rc定义的edit函数使用service的edit命令完成。
5. 从打印消息来看，开机启动时传的action参数是start；
6. 在rc里面，使用edit函数更新了BootImage中几个程序的配置，但是没有启动。
7. 在/usr/etc/rc中对系统做了进一步的初始化。
显然，那些系统的驱动和服务不是在rc里面启动的。上面的猜测是有问题的，后续再用别的方式确认。
*** Minix的IPC
minix的IPC采用(同步的)消息传递的原语：
1. send(dest, &message)：向目标发送一个消息；
2. receive(src, &message)：从指定地方(或者ANY)接收一个消息；
3. sendrec(src_dest, &message)：向目标发送一个消息，同时等待回复并接收；
4. notify(dest)：向目标发送一个通知，非阻塞。目标的receive函数的下次调用会收到这个通知；
注意，用户进程之间不能发送消息，但用户进程可以向服务发送消息，服务、驱动、任务之间可以发送消息。
Minix中消息的大小是固定的，在编译时就确定了。
其实，notify是一个异步消息传递原语，为了使用方便而引入，但是对其增加了极大的限制。例如，notify
不能传递任何数据，接收者仅仅知道发出者是谁。notify仅仅用于系统进程之间，用户进程不能发出或者接收
notify等。
*** Minix3的进程调度
其实，中断是保证一个多任务操作系统运行的最为基本的动力。中断可以是硬件中断，也可以是软件中断，
例如，sendrec调用就会产生一个软中断，其处理过程与硬件中断非常类似。
MINIX3使用多队列的调度器。clock任务和system任务的优先级最高，之下是驱动，之下是服务，之下是
用户进程，之下是IDLE任务（在没有其它任务/进程可以运行时，运行它）。
优先级队列不是唯一控件调度的，在minix中，每个进程分配得到的时间片的大小是不同的。用户进程的时间
片通常较小，而服务、驱动的时间片通常较大。
调度算法描述如下：
1. 调度器的调度时机如前文所述，在每次调度时，会挑选优先级最高的队列头的进程运行；
2. 如果一个进程用完了它所有的时间片而被中断，并且该进程又是上一次被执行的进程，那么
这个进程会被放到一个更低的优先级队列的队尾，如此继续，保证一个进程不会阻塞其它所有的进程；
3. 如果一个进程用完了它所有的时间片，但是它没能获得再次被调度执行(其它进程被调度了)，那么它会被
调高到更高的优先级队列的队尾；
4. 在同一个队列中，调度器采用RR的调度算法。另外，调度器会照顾IO密集型进程。如果某个进程是由于
等待IO而被阻塞的(此时，时间片还没用完)，当IO可用时，这个进程会被插入到所在队列的队头，其时间
片就是上次剩下的时间片。
** Minix3进程的实现
*** 源文件布局
源文件布局。Minix3的源文件大部分使用了相对路径，可以随意移动。但是，只有C头文件使用了两个固定
的路径：/usr/src/include目录，这个目录保存了头文件的主拷贝。在每次Make的时候，会删除/usr/include目录
而把/usr/src/include目录拷贝到/usr/include，后者是编译器查找头文件的默认目录。
在/include目录下，包含了POSIX标准的头文件，此外，还有几个重要的子目录：
sys/ 该目录下也是POSIX标准的头文件
minix/ 该目录下是minix操作系统的头文件
arch/ 该目录下是机器定义相关的头文件，当前只包含i386子目录
在/include目录下，还包括其它一些头文件和子目录，它们对系统上某些应用的运行有用，但不是编译
基本minix系统必须的，例如arpa，net，netinet/三个子目录包含了TCP/IP网络相关的一些头文件。
src/下另外一些必须的目录列举如下：
kernel/ 包含了第一层的，处于内核态的代码。如调度、时钟任务、系统任务等；
drivers/ 包含了第二层，驱动；
servers/ 包含了第三层，系统服务；
lib/ 系统库
tools/ 编译MINIX3的工具、脚本
boot/ 启动引导代码
以上的目录是编译一个MINIX3系统必须的，下面是另外一些额外支出的目录：
test/ 包含了测试代码
commands/ 包含了常用工具、应用程序的代码，如cp、ls等；
*** 启动映像加载后的内存映像
0. 0~1K的地址是中断向量，1K~2K的地址被BIOS使用；
1. kernel会被加载到低端内存，从2K地址处开始；
-----空闲空间----
2. boot monitor在一开始被加载到590K~640K的地址处；
-----对Minix3不可用空间，经典的640K~1024K的断开区间----
3. 从1M开始顺序加载启动映像中其它的部分，如pm、fs、rs...init
-----空闲空间----
后续，应用程序启动后会使用空闲空间(优先使用内核上面的低端内存)。
