操作系统概述

什么是操作系统

计算机硬件：极简的公理系统（导线，逻辑门，时钟，触发器）就能够支持非常复杂的数字系统设计

硬件和软件的中间层，需要了解全部但不要细究全部

对单机作出抽象
支撑多个程序执行

从应用角度看操作系统

可以对如图所示的文件进行gcc的编译得到想要的exe可执行文件，也可以使用gcc -c来先进行编译得到.o文件在进行链接

在计算机中，我们所有的指令都是计算和move指令，并没有关闭程序和关闭计算机的指令，那么这个过程是谁在发挥作用？

答案是操作系统。

借助操作系统来实现

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movq $SYS_exit , %rax #exit(
movq $1,         %rdi # status=1
syscall               #);

将系统调用的参数放到寄存器中
执行sys call，操作系统接管程序，操作系统可以任意改变程序状态（甚至终止程序）

应用程序=计算+操作系统API

举例说明：

窗口管理器：能直接管理屏幕设备

能够和其他进程通信
任务管理器：能访问操作系统提供的进程对象
杀毒软件：文件静态扫描（read），主动防御（ptrace）

操作系统的职责：提供令应用程序舒适的抽象（对象+API）

理解高级语言程序

C语言代码经过编译之后得到二进制文件，执行二进制文件就可以依次执行指令，每次执行一条“语句”
在使用gdb调试代码的时候可以发现，c语言文件的执行也是一种状态机，那我们可以试着使用c语言的源代码来模拟状态机的运行，也就是将代码写成“simpleC”

状态机是拥有严格数学定义的对象，这意味着可以用定义的方式写出来

状态就是各种栈帧和全局变量的组合。
初始状态下仅有一个栈帧（main函数栈帧），且全局变量均为初始值（PC=0）
状态迁移：执行栈帧PC

试图把c代码改写成simpleC：

每一条语句至多一次运算
条件语句中不包含运算

编译器与编译优化

编译器的输入：高级c语言代码
编译器的输出：汇编代码（指令序列）
编译器就是状态机之间的翻译器

simpleC翻译：

运算：把操作数load到寄存器，执行运算，store写回结果
分支/循环：使用条件跳转分别执行代码
函数调用：专门留一个寄存器给栈（SP，stackPointer），将stackframe的信息保存到内存中

编译优化三板斧：

函数内联：将函数调用替换为函数体本身的内容
常量传播：在编译时计算常量表达式的值并替换
死代码消除：删除永远不会执行到的代码

那么给定两个程序A和B，编译器到底允不允许把A编译成B？

首先要看在syscall调用后两个程序的输出序列是否一致，如果一致则可以编译。
系统调用是使程序计算结果可见的唯一方法，不改变语义=不改变可见结果，即如果两个状态机生成的所有syscall序列是完全一致的，则该优化就是允许的。

C语言代码中不可优化的部分：

External function calls外部函数调用（链接时才能确定到底是什么代码）
- 未知的代码可能包含系统调用
- 因此不可删除，移除循环等，且要保证参数传递完全一致
编译器提供的不可优化标注

从硬件视角理解操作系统

计算机系统的状态机模型

状态：内存，寄存器的数值

寄存器，内存

struct CPUstate{
    uint32_t regs[32],csrs[CSR_COUNT];
    uint8_t *mem;
    uint32_t mem_offset,mem_size;
};

还有外部世界的态：

设备上的寄存器
中断指令Interrput
客观存在但计算机系统不能直接访问，进程只能通过syscall访问外部输入

初始状态：由系统设计者规定（CPU Reset）
状态迁移：从PC取指令执行

计算机系统中的固件

reset是计算机硬件和系统程序员的第一个接口，如果想要在裸机上面进行编程，只需要做一个电路并在适当的内存放上适当的代码，只要cpu在reset状态，就执行相应的某些代码，此时就可以对cpu进行控制。

什么是固件？

固件就是厂商在出厂时放置到计算机系统里的代码
- 之所以称之为固件是因为早期时rom，如果想要更新升级则需要换芯片
固件的功能：
- 运行程序前的计算机系统配置
- CPU电压，内存时序，接口开关等
不严格的说，加载操作系统
- 加载存储设备上的引导程序
可以成为一个小的操作系统，在CPU reset后初始化硬件，对接操作系统Boot Loader
又称为BIOS(basic io system)
现在有了UEFI(undefined extensible firmware interface)固件提供更丰富的支持如指纹锁蓝牙键盘等

操作系统学习历程