操作系统-1.概述

1.环境配置

开发环境：
- ubuntu20.04.5 WSL
- sudo apt install nasm: 安装汇编编译器 nasm
- sudo apt install bochs-x: 安装虚拟机 bochs
- sudo apt-get install qemu-system ：下载安装可以模拟全部硬件的qemu
- sudo apt install gdb ：安装gdb调试器
- sudo apt-get install gcc-multilib&&sudo apt-get install g++-multilib：安装在64位的机器上产生32位的程序
参考书籍:
- 操作系统真相还原
- 30天自制操作系统
- Orange’S:一个操作系统的实现

源码地址：yanglianoo/Onix: 基于X86的操作系统，C语言 (github.com)

2.操作系统大纲

系统引导
- 自写bootloader
- grub 引导
硬件及驱动
- CPU : 32位X86架构
- 显示器：VGA
- 中断控制器：8259A
- 键盘
- 硬盘
- 时钟：内部时钟，外部时钟
- 网卡
任务调度：内核进程，用户态线程
中断系统：外部中断、软中断、异常
内存管理
文件系统
系统调用
shell
网络

3.计算机组成概述

通常，计算机由以下几部分组成：

负责计算和处理数据的 CPU
负责存储程序和数据的存储器
和外部进行数据交换的 I/O（Input/Output，输入输出装置）。

各部分通过总线连接就构成了一台计算机

CPU在运行程序的逻辑如下：

1.将磁盘上的程序加载到内存中
2.读取内存中的指令

首先，CPU 要把即将执行的指令从内存中读取出来。CPU 中有个 PC（Program Counter，程序计数器）寄存器，其中保存着即将执行的指令的地址。指令的读取是通过将 PC 寄存器的值输出给内存，由内存返回该值对应地址中的指令
3.对指令进行解码

然后，CPU 对读取的指令所对应的操作进行解码。指令有很多种，有进行各种运算的指令、控制下一条命令的指令、对内存和 I/O 进行读写的指令，还有对 CPU 进行控制的指令。这些指令由 CPU 中被称为指令解码器的模块进行解码。可以用来保存地址和运算结果的寄存器称为通用寄存器（General Purpose Register）
4.执行指令

最后，CPU 对解码器确定的操作进行处理。CPU 可以从内部存储装置——寄存器或外部的内存读取数据并处理，然后将结果写回寄存器或内存。

CPU 执行的指令，由代表操作种类的操作码和代表操作对象的操作数两部分组成。指令本身用特定的二进制序列来表示，这种二进制序列称为机器语言。

操作数：通常为寄存器地址、内存地址、立即数等

操作码：对应为cpu具体的操作，如加法、减法等

根据执行的指令的特征，CPU 分为 RISC（Reduced Instruction Set Computer，精简指令集计算机）和 CISC（Complex Instruction Set Computer，复杂指令集计算机）两种

3.1 内存和地址

所有能够存储数据的存储器都可称为内存，内存是用来存放运行时指令（程序）和数据的存储器。

我们一般说的电脑的内存条为DRAM，就是用来保存程序运行时的指令和数据。像固态硬盘、机械硬盘等存储介质也可用于存储指令和数据，但由于其访问速度实在是太慢，因此适用于计算机长期保存数据和程序的存储器。

内存使用地址的概念来管理存储的数据。地址表示的是数据存储的位置，如同数据的住所一样。每个数据单元都有一个地址。大多情况下数据单元是一个字节（8 位）长度。这种方式称为字节编址。不同架构的CPU有不同的编址方式。

如上图，CPU可通过总线寻址找到内存空间每个数据单元，并从中取出每个数据单元存储的数据。

内存等存储器的特点是速度越快成本越高。因此通常使用“高速小容量”、“中速中等容量”到“低速大容量”等多种存储器组合的混合型架构。这种构造称为存储器层级。

在存储层面，速度最快的是 CPU 中的寄存器。CPU 比内存速度快很多，由 CPU 直接访问内存效率较低。为了提高内存访问速度，在 CPU 和内存间增加了被称为缓存的高速小容量存储器。

缓存可以暂时性地缓冲存储从内存中读取的数据。CPU 在访问内存时，如果需要的数据已经保存在缓存中，则可直接从缓存中读取，以提高访问效率。根据容量和速度的不同，缓存也分为多个层级，通常为一级缓存、二级缓存等多个级别。

3.2 IO

I/O（Input/Output）是进行数据输入输出的装置。计算机通过 I/O 和外部实现数据交换。计算机的处理操作按照从外部读取数据、在内部处理数据、再向外部输出结果的顺序进行。以个人电脑为例，如下图所示，它从鼠标或键盘输入数据，处理器根据程序处理数据，通过显示器等向外部输出结果。

访问 I/O 的方式大致分为存储器映射 I/O 和端口映射 I/O 两种。

存储器映射 I/O :存储器映射 I/O 方式中，I/O 也和内存一样使用地址进行管理，可以和访问内存一样的方式进行访问

端口映射访问:端口映射 I/O 方式中，CPU 含有支持访问 I/O 的专用指令。

3.3 字节序

将多字节数据存储在内存中时，各字节的存储顺序称为字节序。比如，将 4 字节数据 0x12345678 放入内存时，地址 0 中放 0x12、地址 1 中放 0x34、地址 2 中放 0x56、地址 3 中放 0x78 的方式，称为大端序。相对地，地址 0 中放 0x78、地址 1 中放 0x56、地址 2 中放 0x34、地址 3 中放 0x12 的方式，称为小端序。不同CPU采用的字节序不尽相同

3.4 总线

总线是 CPU、内存和 I/O 之间交换数据的共同通道。总线将一根信号线在多个模块间共享进行通信。

总线包括地址总线、数据总线、控制总线、IO总线，顾名思义数据线是用于数据读取、地址总线用于地址寻址、控制总线用于控制cpu行为。

当计算机中的各个组件之间需要进行数据传输和控制信号传递时，总线起到了关键的作用。下面是对四种主要总线的简要介绍：

地址总线（Address Bus）：
- 作用：地址总线用于传输CPU或其他设备发出的内存或外设的地址信息。
- 功能：它决定了CPU或其他设备要访问的内存单元或外设的位置。地址总线的宽度决定了系统能够寻址的内存空间大小。例如，32位地址总线可以寻址的内存空间大小为2^32个字节（4GB）。
数据总线（Data Bus）：
- 作用：数据总线用于传输CPU或其他设备之间的数据。
- 功能：数据总线承载着实际的数据传输，包括指令、操作数、计算结果等。数据总线的宽度决定了一次可以传输的数据位数，例如，32位数据总线可以一次传输32位（4字节）的数据。
控制总线（Control Bus）：
- 作用：控制总线用于传输各种控制信号，包括指令控制、时序控制和状态信号等。
- 功能：控制总线通过不同的信号线传递各种控制信号，例如，读取（Read）和写入（Write）信号用于指示数据传输的方向，时钟信号用于同步操作，中断信号用于通知CPU有外部事件需要处理等。
I/O总线（I/O Bus）：
- 作用：I/O总线用于连接CPU和外部设备之间进行输入输出操作。
- 功能：I/O总线是一种专门用于输入输出的总线，它提供了一种通信通道，使得CPU能够与外部设备进行数据交换。通过I/O总线，CPU可以发送读取（IN）和写入（OUT）指令来控制外部设备的数据读取和写入。