浅学操作系统

一. 操作系统

说白了，操作系统，就是个 (控制型)软件程序，比如： linux, windows, android, ios, Harmony OS等 操作系统有两个方面的功能：

1. 对上，给应用程序提供服务（控制应用程序的执行，同时限制不同应用程序占用的资源，给应用程序提供各种各样的服务{如：I/O服务、声卡的访问、网卡的访问}）
2. 对下，对硬件资源进行管控，管理

作用： 程序员比较关心的操作系统内部组件：

二.操作系统的大体启动过程

每种操作系统启动流程，以及启动细节都不一样，只简单描述大体的启动过程，如图：

预备知识：

操作系统程序事先存放在磁盘中（如：windows操作系统是放在C盘中的）

Bootloader程序：将磁盘中的 " OS " 加载到内存

BIOS(Basic I/O System): 提供开机支持，固定在主板的ROM(Read Only Memory主板中的一块只读内存)区域

ROM(Read Only Memory): 只读内存
RAM(Random Access Memory)：随机访问内存

三.用户态与内核态

为了计算机的安全使用着想，有了用户态和内核态 内核态：可以完全访问所有的硬件，也可以执行机器能够运行的任何指令

  操作系统在运行时 CPU 所处的状态， 这个时候的CPU可以执行任何一条指令(包括特权指令，访问I/O指令)

用户态：只能执行一部分机器指令，对于哪些会影响机器的控制或者可进行I/O操作的指令，在用户态中的程序中是禁止的

 应用程序在运行时 CPU 所处的状态，这个时候的CPU所处的状态级别特别低，不能直接访问某些机器指令，或者不能直接访问I/O(读写磁盘)

四.操作系统如何与外设硬件交互

操作系统与硬件交互主要使用： 汇编指令、中断机制(硬中断)

4.1 操作系统使用汇编指令与硬件交互

预备知识：总线，设备控制器，寄存器。 可以AI了解一下。 CPU芯片不会直接与这些设备交互，通常计算机中有个抽象的概念叫 “设备控制器”。 当然有很多种控制器，可以AI问一下，截图只是举几个小例子。

设备控制器（Device Controller）确实是计算机系统中一个至关重要却又容易被忽视的硬件组件。它是CPU（或更广义地说，计算机系统）与各种物理硬件设备（如磁盘、键盘、打印机、显示器、网卡等）之间进行交互的核心桥梁。 详细的 “设备控制器”， 拿打印机做举例，

操作系统会给这个三个寄存器做唯一标识，方便CPU知道控制那个寄存器，操作系统给这个三个寄存器分配个端口，学名叫“端口映射I/O”，举例如下：

端口映射I/O : 将每个设备控制器的寄存器标志为不同的端口

与之相仿的还有个 “内存映射I/O”

内存映射I/O : 把I/O设备的各个寄存器都编址，看成“内存地址”

Window操作系统里就可以看到，某个设备管理器里面的某个I/O方式，它们各有优缺点，AI了解一下吧。 继续以端口I/O方式叙述

操作系统，做如下汇编指令时 
  OUT 0X03B0 EAX

就是要把 数据A, 从CPU中的EXA寄存器中给到 设备控制器中的 数据寄存器，最后通过控制电路给到打印机，更新详细点的可以看下这个张图片，我我觉得大家了解一下就行，更深原理不用深究

4.2 操作系统使用中断机制与硬件交互 (也叫 硬中断，是由硬件触发的)

简单了解一些知识：

（1）所有的操作系统内核部分都有一个服务程序叫——》“中断服务程序(Interrupt Service Routine， ISR)”

（2）中断服务程序在操作系统启动时会初始化出来一个表——》“中断描述符表(Interrupt Descriptor Table)” 里面维护了很多很多中断号，就是个数组表

（3）硬件设备会发送中断信号——》中断号（Interrupt Request, IRQ）, 下图展示了window操作系统中某个硬件对应的中断号

工作流程简单描述：

1. 硬件事件发生：

   • 一个硬件设备完成了某个操作（如磁盘读取完成）、有数据到达（如网络数据包到达网卡）、需要服务（如键盘按键被按下）或 发生错误。
   • 该硬件设备通过主板上的中断控制器（如Intel的APIC或传统的PIC）向CPU发送一个特定的中断请求信号（IRQ）。每个设备通常关联一个或多个唯一的IRQ号。

2. CPU响应中断：

   • CPU在每条指令执行结束时，都会检查是否有待处理的中断请求（除非中断被明确屏蔽）。
   • 如果检测到未屏蔽的有效中断请求（IRQ），且当前程序的执行优先级低于该中断的优先级，CPU会立即中断当前程序的执行流。
   • CPU自动保存当前程序的关键上下文信息（至少包括程序计数器PC/指令指针IP、程序状态字PSW/标志寄存器Flags）。这些信息被压入当前栈（通常是内核栈）或特定的中断栈，以便后续能正确恢复被中断的程序。

3. 查找中断服务程序：

   • CPU根据收到的IRQ号，查询一个由操作系统在启动时设置好的数据结构——中断描述符表（Interrupt Descriptor Table, IDT）。
   • IDT 本质上是一个数组，每个条目对应一个可能的中断号（包括硬件IRQ和软件异常/陷阱）。每个条目包含了对应中断服务程序（ISR）的入口地址（段选择子和偏移量）以及必要的特权级等信息。

4. 执行中断服务程序：

   • CPU跳转到查找到的ISR入口地址，开始执行。

这种方式是现代操作系统管理硬件、实现并发和多任务处理的核心机制，它解决了轮询（Polling）效率低下的问题，让CPU能够在硬件需要服务时被“主动”通知。

核心思想：硬件设备（如键盘、鼠标、网卡、磁盘控制器、定时器）在需要操作系统的关注时（例如，数据准备好、操作完成、发生错误），会主动向CPU发送一个中断信号（Interrupt Request, IRQ）。CPU收到这个信号后，会立即暂停当前正在执行的程序（无论它是用户程序还是内核代码），保存其当前状态（称为上下文切换的一部分），然后转而执行一段专门为处理该硬件事件而编写的函数，即中断服务程序（ISR）。ISR执行完毕后，CPU通常会恢复之前被中断的程序继续执行。

扩展知识点：

DMA (Direct Memory Access) 直接内存访问 DMA 是一种硬件机制(在主板上的一个硬件)，允许某些计算机内部的子系统（主要是外部设备，如磁盘驱动器、网卡、声卡、图形卡等）直接在系统内存（RAM）中读取或写入数据，而无需中央处理器（CPU）的持续参与。 它的核心目标就是显著减少 CPU 在处理大量数据传输任务上的开销。 为什么需要 DMA？ (没有 DMA 的世界) 想象一下没有 DMA 的情况（也称为 PIO - Programmed I/O）：

1. CPU 全程参与： 当设备（比如硬盘、磁盘 ）需要将数据读取到内存时：
   • CPU 必须从硬盘控制器的一个 I/O 端口逐个字节（或字）地读取数据。
   • 然后 CPU 再把这个数据逐个字节（或字）地写入到内存的目标地址。
2. 高 CPU 占用率： 对于一个大文件（比如 1GB），CPU 就需要执行数十亿次这样的“读端口 -> 写内存”操作。这期间 CPU 几乎完全被占用，无法执行其他更有用的任务（如运行应用程序）。
3. 效率低下： CPU 的速度远高于 I/O 设备。让高速的 CPU 等待慢速的 I/O 设备完成每一次字节传输是巨大的资源浪费。
4. 增加延迟： 因为 CPU 被 I/O 传输阻塞，整个系统的响应速度会变慢。

五.应用程序如何与操作系统交互

5.1 系统调用

作用：系统调用主要解决的是用户态和内核态的切换

过程：Linux操作系统如何从用户态陷入(trap)内核态

• linux 32位操作系统：80中断
• linux 64位操作系统：syscall汇编指令

5.1.1 32位操作系统：INT 80 软中断(应用程序触发的

5.1.2 64位操作系统：汇编指令syscall

操作系统的 “系统调用服务程序” 是怎么知道程序代码调用那个系统调用方法？

在 Linux 操作系统中，当用户空间的程序（比如你的 C 程序）执行一个系统调用（如 read, write, open, fork 等）时，内核的系统调用服务程序（通常指中断/异常处理程序，特别是系统调用入口点）通过 sys_call_table 来找到并执行对应的内核函数的。核心机制是利用系统调用号作为索引。这里对应的方法参数传递涉及到寄存器的数据存储使用，过程有些复杂，大家AI了解一下。

1. 系统调用号：

   • 每个系统调用在内核中都被分配一个唯一的整数编号，称为系统调用号（syscall number）。
   • 这个编号是系统调用在 sys_call_table 中的索引。
   • 当用户程序想要发起一个系统调用时，它必须将想要调用的系统调用号放入特定的寄存器。在 x86-64 架构上，这个寄存器是 %rax (RAX)。

2. 触发系统调用：

   • 用户程序通过执行一条特殊的指令来请求内核服务，从而从用户态（User Mode）切换到内核态（Kernel Mode）。在 x86-64 架构上，常见的指令是：
     • syscall (现代 x86-64 CPU 上最常用的、更快的指令)
     • int 0x80 (传统的、较慢的软件中断方式，现在主要用于 32 位兼容模式或旧系统)
   • 执行这条指令会触发一个硬件异常（或称为陷阱/Trap），导致 CPU 切换到内核模式，并跳转到内核预定义的系统调用入口点代码（例如 entry_SYSCALL_64 或 entry_INT80_34）。

六.异常(Exception)

明明操作系统也没崩溃或死机啊！为什么管他们叫异常呢？ 那是因为从应用程序角度来看的，下面截图介绍

中断、系统调用(陷阱)、故障、终止。它们在操作系统中都属于异常 ，因为它们打断了 应用程序 的按顺序执行。

6.1 中断(interrupt)

6.2 陷阱(trap 系统调用)

Linux (x86_64) 常见系统调用表

系统调用号	用户态函数名	内核态函数名	简要说明
0	read	sys_read	从文件描述符读取数据
1	write	sys_write	向文件描述符写入数据
2	open	sys_open	打开或创建一个文件
3	close	sys_close	关闭一个文件描述符
4	stat	sys_stat	获取文件状态
5	fstat	sys_fstat	根据文件描述符获取文件状态
6	lstat	sys_lstat	获取符号链接文件状态
8	lseek	sys_lseek	重新定位读/写文件偏移量
9	mmap	sys_mmap	将文件或设备映射到内存
10	mprotect	sys_mprotect	设置内存区域的保护属性
11	munmap	sys_munmap	取消内存映射
12	brk	sys_brk	改变数据段空间大小
13	rt_sigaction	sys_rt_sigaction	设置信号处理函数
14	rt_sigprocmask	sys_rt_sigprocmask	设置或获取阻塞信号集
22	pipe	sys_pipe	创建管道
32	dup	sys_dup	复制一个文件描述符
33	dup2	sys_dup2	复制一个文件描述符到指定编号
39	getpid	sys_getpid	获取进程ID
56	clone	sys_clone	创建子进程（线程）
57	fork	sys_fork	创建子进程
58	vfork	sys_vfork	创建一个子进程，并阻塞父进程
59	execve	sys_execve	执行程序
60	exit	sys_exit	终止当前进程
61	wait4	sys_wait4	等待子进程状态改变
62	kill	sys_kill	向进程发送信号
63	uname	sys_uname	获取当前内核名称和信息
80	chdir	sys_chdir	改变当前工作目录
81	fchdir	sys_fchdir	根据文件描述符改变工作目录
82	rename	sys_rename	重命名文件
83	mkdir	sys_mkdir	创建目录
84	rmdir	sys_rmdir	删除空目录
85	creat	sys_creat	创建并打开一个新文件
86	link	sys_link	创建硬链接
87	unlink	sys_unlink	删除一个文件名（可能是软/硬链接）
88	symlink	sys_symlink	创建符号链接
89	readlink	sys_readlink	读取符号链接指向的路径
90	chmod	sys_chmod	改变文件权限
158	arch_prctl	sys_arch_prctl	架构特定的进程控制（x86_64 设置 FS/GS 段等）
202	futex	sys_futex	快速用户空间互斥锁（线程同步底层原语）
217	getdents64	sys_getdents64	获取目录项列表（现代版本）
257	openat	sys_openat	相对于目录描述符打开文件（open 的现代版本）

6.3 故障(fault)·

6.4 终止(abort)

发生这些异常时，操作系统是怎么知道它到底是那种异常的呢？

(1) 异常号： 操作系统为每一种类型的异常，都分配了一个 “唯一” 的非负整数的异常号(exception number)

举例：X86-64位操作系统中定义的 “异常号”

(2) 异常跳转表：操作系统在启动后会初始化一个向量表——异常跳转表，说白了就是数组