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硬件支持系统 系统管理硬件

计算机硬件由三样东西组成：CPU、内存、I/O设备。为了更有效地管理这些硬件资源，系统设计者引入了抽象的概念，其中最为核心的三大抽象便是进程、虚拟内存与文件。

• 将磁盘和I/O设备抽象成文件，统一由对应文件来访问对应设备。
• 将内存与文件统一规划为虚拟地址空间来屏蔽了下层细节。
• 最后将CPU资源与虚拟地址封装给进程，为进程服务。

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异步行为

异步分为两种：软件异步和硬件异步。他们的流程都是一样的。

当程序正在执行时，发生了一个错误导致未能正常运行，这个就叫中断。

• a.1：中断来临时，第一件事就是保护现场。主要是三样东西：
  • PC指针：必须由硬件（CPU）来做，因为如果用软件做的话，PC值已经跳转到软件的地址，而非中断地址。
  • PSW寄存器：由于在跳转时PSW数据不会改变，所以由OS来做。
  • 基础寄存器：同样由OS做。
  • 现在的CPU也将PSW和基础寄存器的保护一并做了。
• a.2：中断向量表
  • 根据不同的中断信息，查表找到对应的中断处理函数的入口。
  • 这个表由OS来制定，不同的系统有不同的表。
  • 现在的部分CPU也可以提供这个表。
• a.3：中断处理函数
  • 由OS准备。
• a.4：中断返回
  • 区别于普通函数的返回（例如C的return），这个返回需要我们将数据重新写回寄存器，还原现场，显然普通返回做不到，所以就有了特定的汇编语言写的返回。
  • 这个返回由OS来写。
  • 现在的部分CPU也能做。

中断的分类

中断分两类：

• 程序主动发出的中断：异常处理
  • 由程序写死的，固定发生的情况。
  • 例如：
    • int a = 10 / 0;
    • 系统调用，访问内存缺页的情况。
• 硬件被动发生的中断：外部中断
  • 由外部设备或系统硬件主动向CPU发出的中断信号，无法预测什么时候发生的事件。

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同步行为

同步就是程序的顺序执行过程。

• func1()开始执行：
  • 栈中记录下a, b的数据。
  • 保护数据（PC、PSW、普通寄存器）
• 跳转到a1()：
  • 记录x1, x2数据。
  • 执行完毕。
• 函数返回：
  • 普通函数数据保护（共两样）：
    • PC值：
      • 之前压栈保存，现在将无关数据弹栈，直到发现指令地址，将其赋给PC。
      • 同样，因为PC值会变，所以由硬件来进行保护。
    • 基础寄存器：
      • 因为是应用程序，所以由 编译器 进行保护。
    • PSW :
      • 用不到之前的状态，不需要保护。

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虚拟地址空间

从操作系统层级上看，虚拟地址空间主要分为两个部分内核区和用户区。

• 内核区：
  • 常驻内存，是操作系统的一部分。
• 用户区（内存四区）：
  • 代码区（.text）：通常用于存放程序的执行代码(即CPU执行的机器指令)，代码段一般情况下是只读的，这是对执行代码的一种保护机制。
  • 数据区（.data）：存放程序中已初始化且初值不为0的全局变量和静态变量。数据段属于静态内存分配(静态存储区)，可读可写。
  • 堆区（.heap）：存放运行时动态申请的内存，由程序员管控。
    • 堆中内容是匿名的，不能按名字直接访问，只能通过指针间接访问。
    • 堆向高地址扩展(即“向上生长”)，是不连续的内存区域。这是由于系统用链表来存储空闲内存地址，自然不连续，而链表从低地址向高地址遍历。
  • 栈区（.stack）：存放局部变量，由编译器管控。
    • 跟堆区相反，内存向下生长，内存连续。

更多详细内容：文件描述符 - 1.2 分区

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shell

shell是封装在OS之上的一种软件，提供了一系列指令给操作者来对OS进行操作。

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系统调用与软中断

程序在执行时，会有对硬件进行操作的需求，但是程序在用户空间执行，不能直接对内核区的硬件进行操作，所以就需要系统调用帮忙。

• 系统调用是用汇编语言写的指令，封装成接口供程序使用。
• 调用系统调用时，进行了模式的切换：
  • 主动放弃用户模式，转而进入内核模式执行某些特权操作。
• 软中断：
  • 软中断是由用户程序主动触发的，与硬件中断不同。
  • 在调用系统调用时，程序通常会触发一个软中断（如使用INT指令），这会中断当前的程序执行，将控制权转移到操作系统的内核。

区分系统调用

那么多系统调用，如何分辨要执行哪一个呢？

• 在软中断信号中，含有号码，这个号码CPU不进行解析，CPU只读取到这是软中断，然后交由OS解析，OS根据号码执行对应的系统调用。

trace 命令

trace ./a,out

追踪执行程序时使用的系统调用。