从零实现一个操作系统（一）

操作系统实战笔记（一）

操作系统是计算机的核心软件

• 操作系统是所有软件的基础，所有上层软件都要依赖于操作系统提供的各种机制，才能运行。
  • 后端工程师在做高性能服务端编程的时候，内存、进程、线程、I/O 相关的知识会经常用到。还有，在做一些前端层面的性能调优时，操作系统相关的一些知识更是必不可少。
  • 除了 Web 开发，做高性能计算超级计算机的时候，操作系统内核相关的开发能力也至关重要。其实，即使单纯的操作系统内核相关的开发能力，对于工程师来说也是绕不过的基本功。
• 除了工作，操作系统离我们的生活也并不遥远，甚至可以说是息息相关。要知道，操作系统其实不仅仅局限于手机和电脑，你的智能手表、机顶盒、路由器，甚至各种家电中都运行着各种各样的操作系统。

程序的运行过程：从代码到机器运行

第一版 Hello World

#include "stdio.h"
int main(int argc, char const *argv[])
{
  printf("Hello World!\n");
  return 0;
}

• 计算机硬件是无法直接运行这个 C 语言文本程序代码的，需要 C 语言编译器，把这个代码编译成具体硬件平台的二进制代码。
• 再由具体操作系统建立进程，把这个二进制文件装进其进程的内存空间中，才能运行。

程序编译过程

• 使用命令：gcc HelloWorld.c -o HelloWorld 或者 gcc ./HelloWorld.c -o ./HelloWorld，就可以编译这段代码。
• GCC 只是完成编译工作的驱动程序，它会根据编译流程分别调用预处理程序、编译程序、汇编程序、链接程序来完成具体工作。
  • HelloWorld 编译流程如下：
    
  • HelloWorld 研究中间过程：
    • 预处理
      • 加入头文件，替换宏。
      • gcc HelloWorld.c -E -o HelloWorld.i。
    • 编译
      • 包含预处理，将 C 程序转换成汇编程序。
      • gcc HelloWorld.c -S -c -o HelloWorld.s。
    • 汇编
      • 包含预处理和编译，将汇编程序转换成可链接的二进制程序。
      • gcc HelloWorld.c -c -o HelloWorld.o。
    • 链接
      • 包含以上所有操作，将可链接的二进制程序和其它别的库链接在一起，形成可执行的程序文件。
      • gcc HelloWorld.c -o HelloWorld。

程序装载执行

• 冯诺依曼体系结构：
  • 根据冯诺依曼体系结构构成的计算机，必须具有如下功能：
    • 把程序和数据装入到计算机中；
    • 必须具有长期记住程序、数据的中间结果及最终运算结果；
    • 完成各种算术、逻辑运算和数据传送等数据加工处理；
    • 根据需要控制程序走向，并能根据指令控制机器的各部件协调操作；
    • 能够按照要求将处理的数据结果显示给用户。
  • 为了完成上述的功能，计算机必须具备五大基本组成部件：
    • 装载数据和程序的输入设备；
    • 记住程序和数据的存储器；
    • 完成数据加工处理的运算器；
    • 控制程序执行的控制器；
    • 显示处理结果的输出设备。

实现一个最简单的内核（理论篇）

PC 机的引导流程

• 我们学习操作系统的时候，不妨撇开其它现有的操作系统，基于硬件，写一个最小的操作系统——Hello OS，直观感受一下。
• 写操作系统要用汇编和 C 语言，尽管这个 Hello OS 很小，但也要用到两种编程语言。
• 为了大大降低我们开始的难度，也不至于打消热情，我们不打算从 PC 的引导程序开始写起，而是先借用一下 GRUB 引导程序，只要我们的 PC 机上安装了 Ubuntu Linux 操作系统，GRUB 就已经存在了。
• Hello OS 的引导流程如下：
  
  • PC 机 BIOS 固件是固化在 PC 机主板上的 ROM 芯片中的，掉电也能保存。
  • PC 机上电后的第一条指令就是 BIOS 固件中的，它负责检测和初始化 CPU、内存及主板平台，然后加载引导设备（大概率是硬盘）中的第一个扇区数据到 0x7c00 地址开始的内存空间，再接着跳转到 0x7c00 处执行指令。
  • 这就是 GRUB 引导程序。

Hello OS 引导汇编代码

• C 作为通用的高级语言，不能直接操作特定的硬件，而且 C 语言的函数调用、函数传参，都需要用栈。
• 栈就是数据满足后进先出特性的一块内存空间，它由 CPU 特定的栈寄存器指向，所以我们要先用汇编代码处理好 C 语言的工作环境。