操作系统概述和硬件视角-编程实验室

操作系统概述和硬件视角

文章目录

操作系统概述和硬件视角
- 一、前言
- 二、操作系统的概述
- - 2.1 定义
  - 2.2 目的
  - 2.3 关注点
  - 2.4 程序来看OS
  - - 2.4.1 提出问题
    - 2.4.2 解决编译器的很多问题
- 三、硬件视角
- - 3.1 组成
  - 3.2 核心概念
  - - 3.2.1 CPU
    - 3.2.2 存储器
    - 3.2.3 I/O设备
    - 3.2.4 总线
- 四、小结

一、前言

今天，我们开始步入操作系统的学习啦~

二、操作系统的概述

2.1 定义

Operating System，简称OS，是一组控制和管理计算机硬件和软件资源的程序集合

本质：OS是一个软件，需要在硬件上运行，为软件系统提供访问接口

s：software
上管软件，下管硬件，就是操作系统
程序集合：操作系统需要编码

2.2 目的

合理地对各类作业进行调度，方便用户使用计算机
使系统资源的利用率高，系统的吞吐量大
利用率高：使一个事物可以尽可能的做更多事
吞吐量大：一次性干好多事

2.3 关注点

如何设计操作系统以及设计操作系统需要解决的问题和方案

2.4 程序来看OS

2.4.1 提出问题

hello.c文件在磁盘怎么存，怎么读，可以我们在磁盘那么大的空间可以找到hello.c？
文件系统
hello.c怎么变成CPU能认识的指令？
识别指令（操作系统能做的活都限制在指令集中）
我们现在写的程序都是基于OS的程序设计（裸机程序）
软件可以运行多次，甚至同时运行很多软件，CPU如何管理多个任务？
程序存放内存之中，内存如何进行管理？

核心：操作系统如何管理CPU，如何管理内存，如何管理磁盘，如何管理设备（IO）

涉及进程和线程（调度和同步机制）、内存管理、文件系统、IO设备

2.4.2 解决编译器的很多问题

编译器和操作系统的关系：

操作系统和编译器是彼此辅助的关系：编译器是基于操作系统的，帮助操作系统管理资源的以及支持编译行为

一款编译器要解决的问题：解决CPU指令集问题；不同操作系统的问题

如果操作系统是none——说明它是直接面向CPU编程，不是为系统服务
gcc不像javac（java的编译器是javac），gcc在windows上写的程序，在Linux上就是运行不了。而java语言可以跨平台运行。

gcc编译过程

gcc是一个总的调度器，后面跟着一个选项，决定了干活干到什么程度（语法）
预处理和汇编，一定程度上，人类还是看得懂的，后面不行
运行出错，一般是链接出错
编译器和汇编器都是来解决CPU的，链接器是解决内存管理的

gcc -E -o hello.i hello.c预处理

gcc -S -o hello.s hello.i生成汇编文件（人们能看懂的助记符）编译

cc1 hello.c -o /tmp/cceVNE1I.s编译器 gcc -S

里面含有很多编译所产生文件的目录
在编写程序时，所谓的include就是把文件打开了，最终编译的是.c文件，只是将会重复编译的文件整成头文件，包含在.c文件中了，最终是一起编译的

gcc -c -o hello.o hello.s将助记符一一映射，变成了非ASCII码的文件汇编

as -o /tmp/cc8ATX9H.o /tmp/cceVNE1I.sas-assembler 汇编器 gcc -c
借助nm、objdump来看懂

.o是gcc二进制指令流
里面有很多-c，-lc，-lgcc等都是第三方库——链接（组装车间）

gcc -o build hello.o链接

ld -o build /tmp/cc8ATX9H.o .../*.o -lc链接器 gcc
不仅需要自己的.o，还需要很多操作系统的依赖.o，还有很多第三方库的.o（-lc）
为什么说编译是在操作系统下运行的呢？因为编译器也把操作系统对应的依赖文件装进去了，并且第三方库（我们写程序也需要很多别人写好的函数，如标准C库）在操作系统中有

as，ld，cc1这些东西比较底层，做了解

三、硬件视角

3.1 组成

一个或多个处理器（CPU）、主存、键盘 + 鼠标、显示器、网络接口、打印机

CPU不存指令，CPU如果存指令，消耗会很大，于是有了主存，主存相当于CPU外面的一个仓库。
主存包括内存 + 磁盘
键盘 + 鼠标、显示器、网络接口、打印机都属于IO
磁盘是由磁盘控制器管理的，磁盘控制器是由驱动控制来工作的
CPU -> Cache -> 内存、数据内存、控制器
控制器：控制硬件产生高低电压和频率和另外一个芯片达成通信过程（相当于一个小芯片）
CPU不能做这个事情，因为它不能停，是一直高速转动的，CPU负责控制控制器
CPU里面有寄存器（不同CPU的寄存器不一样[厂家决定]，数量少），数据是通过寄存器写到内存里面的，CPU就是依靠寄存器实现和内存的交互（有专门的指令集）
指令集
PC：Program Counter（程序计数器），PC指哪，CPU就在哪运行
SP：Stack Pointer（栈指针），控制在内存存放东西
注意：每个厂家实现的行为不一样~

3.2 核心概念

3.2.1 CPU

指令集和结构特点
- 寄存器和内存的加载、存储指令
  把内存的东西取到寄存器里面，在寄存器里操作完之后，再放回内存
  寄存器不能通过地址来访问，只能通过写汇编访问
- 基本运算指令
- 特殊功能指令
资源：寄存器
- 通用寄存器
  R0-R12（ARM体系）
- 特殊寄存器
  - PC寄存器
  - SP寄存器
    保护和恢复信息
  - PSW寄存器（状态寄存器）
    还在运行时需要保存（比如：中断）
工作模式
工作模式：有独立的空间，独立的任务
特权 & 非特权
中断模式 & 系统调用★

3.2.2 存储器

存储器的访问时间和容量关系
- 寄存器、缓存
  缓存是一行一行存
- 局部性原理
  cache比内存快
常见主存（Main Memory）
意识性存储器（掉电易失）
- RAM（Random Access Memory）
  掉电易失
- ROM（Read Only Memory）
  存了不丢
磁盘
非意识性存储器
- 磁盘结构
- 磁道、柱面、扇区