Lesson1 - 操作系统概述与硬件视角

文章目录

什么是操作系统
- 操作系统的形成
从程序看OS
- 提出问题：从hello world文件开始
- 目前编译器帮我们解决了诸多问题
- - gcc的编译过程
CPU的运作
- CPU对任务的切换

什么是操作系统

操作系统 Operating System 是一组控制和管理计算机硬件和软件资源合理地对各类作业进行调度，方便用户使用计算机的程序集合。
操作系统的核心目标是，使系统资源的利用率高，系统的吞吐量大。

操作系统的形成

用户想要调用硬件，需要使用硬件的驱动程序，那么如果换了硬件就需要更换驱动，这样可移植性差，于是出现了操作系统。
操作系统负责提供设备驱动框架来驱动不同的底层设备，同时提供了用户接口框架给上层用户。
后来操作系统一并将软件驱动纳入，形成软件操作系统。
在这里插入图片描述

从程序看OS

提出问题：从hello world文件开始

hello world文件在磁盘中是怎么存储的？
- 怎么存决定了怎么读
- 利用文件系统
.c文件怎么变成让CPU认识的指令的？
2.1 是否这些指令所有CPU都认识呢？
2.2 是否编译成0101这种二进制文件系统就能运行了呢？
- 我们现在的编程大多是 基于OS的程序设计
- 而还有一种就是裸机编程，程序可以不需要操作系统直接调动硬件
软件多次运行或者同时运行，CPU如何管理多个任务的？
对于运行时的数据如何进行内存存放，内存如何管理？

总结下来就是，操作系统如何进行：

管理CPU —— 进程和线程 —— 调度与同步机制
管理内存 —— 内存管理
管理磁盘 —— 文件系统
管理IO —— IO设备

目前编译器帮我们解决了诸多问题

编译器帮助我们解决了前两个问题：管理CPU和管理内存。

调用进程线程来运行程序
编译器链接内存地址

调用指令

gcc -v

可以看到如下信息：

目标：x86_64-redhat-linux

说明gcc编译的指令集是面向x86架构的CPU，作用于linux操作系统的
gcc（编译器）解决了文件对于不同架构的CPU与不同的操作系统的问题。

gcc的编译过程

指令：

gcc helo.c -E -o a.i	# 将hello.c文件预处理
gcc a.i -S -o a.s		# 对预处理后的文本文件进行编译
gcc a.s -c -o a.o		# 对汇编文件进行汇编，生成二进制文件
gcc a.o -o a.out		# 对各种库和文件进行链接，生成可执行文件cc1 hello.c -o /tmp/cceVNE1I.s            		# 编译器ccl  gcc -S
as -o /tmp/cc8ATX9H.o /tmp/cceVNE1I.s			# 汇编器as  gcc -c
ld -o build /tmp/cc8ATX9H.o  ...../*.o   -lc   	# 链接器ld  gcc

指令：

file a.out

可以调出可执行文件适用的CPU，操作系统等信息

CPU的运作

在这里插入图片描述
CPU通过缓存对内存进行调度，其中，内存分为两种：

数据内存：存放数据。
控制器：
- 在硬件通信中，需要高低电压的信号来互相通信，而高低电压的持续时间需要软件控制，而代码中会需要进行休眠来控制电压持续时间，如果CPU自己来做，就会造成CPU休眠（死机），所以创造出了控制器。
- CPU告诉控制器，我需要什么类型的信号，由控制器进行操作，这样就能让CPU在控制器发信号和休眠的时间内做其他事情了。

CPU对任务的切换

CPU在执行程序的时候，如何实现对任务的切换呢？

例如，对一个C程序：

#include <stdio.h>int reslut() {int a = 1;int b = 2;return a + b;
}int main() {int k = reslut();return 0;
}

CPU开始执行main()
跳转到reslut()
在CPU的寄存器内记录下a, b的数据，然后进行运算
跳转回main()

那CPU是怎么知道要跳转到哪里的？

CPU的寄存器中有一个名叫程序计数器（Program Counter, PC），程序计数器指示了下一条需要从内存中提取的指令的地址。当指令被提取后，程序计数器会自动更新为下一条需要提取的指令的地址，从而确保指令能够按正确的顺序执行。
另一个重要的寄存器是 栈指针（Stack Pointer, SP）。栈指针指向内存中当前栈的顶端。它包含了函数调用过程中传递的参数、局部变量以及未保存在寄存器中的临时变量。通过堆栈指针，CPU可以管理函数调用期间的数据和返回地址。
在进行多任务时，由于CPU内寄存器只有那么多，所以在切换任务前，PC 指针会保存当前任务的下一条语句的地址，然后将栈指针SP以及栈内的数据保存到内存的TCB任务控制块中，之后再跳转到另一个任务中。在任务完毕时，根据PC指针位置跳转，然后将对应数据从内存下载到栈内，这就是CPU和内存间的load/store操作。
- 任务切换，也称上下文切换（Context Switch）