哈工大李治军老师操作系统笔记【1】：什么是操作系统 & 揭开钢琴的盖子（Learning OS Concepts By Coding Them !）

0 什么是操作系统？

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以上的答案为计算机。

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屏幕怎么输出我们想要显示的内容（hello）？CPU发送指令给内存，如图所示内存地址为300，要把这些ASCII码放到显存当中，把地址为300的内容取出来，放到地址为777的显存上，然后上电，就输出了个“h”，之后的“ello”同理，地址逐渐+1即可。但是这样是不是太麻烦了一点？可以简单，直接printf("Hello")，那为什么可以调用这个指令而不是直接去调用硬件？答：有了操作系统之后，给这个计算机穿上衣服，使得使用上更方便，就不用直接去操作硬件了，这就是操作系统，在硬件上包了一层软件。

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操作系统的层次：

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1 揭开钢琴的盖子，Open the OS！

如下是计算机系统的基本结构，操作系统出于这个位置就决定了他要干什么事，计算机要使用硬件，就要使用操作系统提供的接口来实现，比如说printf指令。

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我们要做的是穿过这个接口，来看操作系统内部，只会用接口，用途无从谈起。

1.1 如何控制开机界面

黑色的背后发生着什么？开机要干什么事？

1.2 从白纸到图灵机

图灵机借鉴了人在纸上计算的这个过程，就比如说要计算1+2，图灵机是怎么样运算的呢？图灵机的基本组成如下：

• 有一条「纸带」，纸带由一个个连续的格子组成，每个格子可以写入字符，纸带就好比内存，而纸带上的格子的字符就好比内存中的数据或程序；
• 有一个「读写头」，读写头可以读取纸带上任意格子的字符，也可以把字符写入到纸带的格子；
• 读写头上有一些部件，比如存储单元、控制单元以及运算单元：

1. 存储单元用于存放数据；
2. 控制单元用于识别字符是数据还是指令，以及控制程序的流程等；
3. 运算单元用于执行运算指令；

运行步骤：

• 首先，使用读写头把这三个字符全部写入到纸带上，这样纸带上就有三个数据了，分别是1,2，+这三个数据。
• 之后，从1开始，分别把数据1和2读入存储设备当中，这个存储设备就称之为图灵机的状态。
• 然后读入了1,2后，读写头会碰到+号，现在其会将+号传递给控制单元，控制单元发现是一个+号而不是数字，所以没有存入到状态当中，这是因为+号是运算符的指令，作用是将状态进行相加，于是通过运算单元进行工作，之后运算单元收到后，要把加和的状态中的值通知后，就会把状态给读入进去，再把计算的结果1+2=3这个3存入状态当中。
• 最后，运算单元返回给控制单元，控制单元将结果传输给读写头，读写头向右移动，把结果写入到纸带当中去。

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1.3 从图灵机到通用图灵机

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首先是把一套逻辑读进来，把控制器形成样子，再在样子基础上再出结果，怎么去设置控制器逻辑，这个控制器就会怎么工作，读进来是+法就是+法图灵机，*法就是*法图灵机。

1.4 从通用图灵机到计算机

把程序输入进去，存到内存里，程序载入到控制器中解释执行，就能得到结果。

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IP指针指向的是所要执行命令的地址，PC是程序计数器，IR是指令缓存器，然后不断的取址执行去工作，这还是自动的。

PS:
常见的寄存器种类：

• 通用寄存器，用来存放需要进行运算的数据，比如需要进行加和运算的两个数据。
• 程序计数器，用来存储CPU要执行下一条指令「所在的内存地址」，注意不是存储了下一条要执行的指令，此时指令还在内存中，程序计数器只是存储了下一条指令的地址。
• 指令寄存器，用来存放程序计数器指向的指令，也就是指令本身，指令被执行完成之前，指令都存储在这里。

那么，1.1当中的黑色背景到底发生了什么事呢？从取址执行开始说起，取哪里的地址呢？PC，IP的地址，也就是执行下一条指令[所在的内存地址]。

1.5 第一句指令是什么？

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TIPS：一个扇区=512Bytes

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CS是段寄存器，IP是其偏移地址。CS和IP合起来就是要产生一个地址，CS<<4+IP（CS左移4位再加上IP），所一刚开始得到的地址就是0xFFF0，这个地址，也就是BIOS的地址，如果这段过不去的话，计算机就是坏了。

把0磁道0扇区读入512Bytes的空间，放到7C00处，就是引导扇区，也就是操作系统的第一个扇区，第一段代码，然后变更CS和IP，到引导扇区，自己写的代码肯定是从引导扇区开始的。

1.6 0x7C00处存放的代码

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引导扇区的代码：$bootsect.s$（引导扇区）
$.s$对应的是汇编，因为如果用C写，C语言要进行编译，所以用汇编写，直接转换成机器代码，可以完全控制。

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所以第一句语句执行完后，$ds=0x07C0$，$es=0x9000$，这两个是段地址，还需要偏移地址IP（这里的ds对应的偏移地址是si，es对应的偏移地址是di，然后现在这两个偏移地址都被sub指令减成0了）

最后一行代码，go赋值给ip，initseg赋给cs。

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接下来，bootsect挪了一下，到了下面的int 0x13，这是13号中断。要告诉磁盘从哪里开始读，从cl开始扇区开始读，cl是cx的低八位，所以cl是02，所以是第2个扇区开始读，那么读多少个扇区呢？看al，al是扇区的个数，al是ax的低八位，加上setuplen之后，al是4，实际上从boot扇区之后读4个扇区即可，正好是setup扇区，这4个扇区读到哪里？读到bootsect上面，90000+200（512bytes）=90200。就是90200这个地址，那怎么告诉他呢，es和bx合起来就是内存地址，ax是根据cs的，es是根据ax的，所以找到cs即可，cs=9000，段基址有了，bx就是200，果然，就是要把setuo的4个扇区读进来。

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int 0x10也是个中断，这是个显示字符的bios中断，其实这就是黑色图片的logo的显示中断，这个中断就是打出logo，call又是读入system模块。

2 总结

开机，读入bootsect扇区，再读入setup扇区，之后再根据指令访问其他模块。