【操作系统笔记】程序运行机制CPU&指令集

内存地址

指针 / 引用

指针、引用本质上就是内存地址，有了内存地址就可以操作对应的内存数据了。

不同的数据类型

字节序

• 大端序（Big Endian）：字节顺序从低地址到高地址顺序存储的字节序
• 小端序（Little Endian）：字节顺序从高地址到低地址顺序存储的字节序

对于人类来说，大端序比较好理解，字节序从低地址到高地址，对于计算机来说，小端序比较容易操作。

进制转换

二进制和十进制之间的转换

十进制转成二进制：整数除2取余；小数乘2取整

二进制转成十进制：按权求和方法

十进制和十六进制之间的转换

将十六进制转成十进制：按权展开求和方法，不过权的基数是16

十进制转成十六进制和十进制转成二进制的方法是一样的。

二进制和十六进制之间的转换

十六进制转成二进制：

• 每一位十六进制数字转换为四位二进制数字，
• 运算的顺序也是从低位向高位依次进行

二进制转成十六进制：

• 每四位二进制数字转换为一位十六进制数字，
• 运算的顺序是从低位向高位依次进行，
• 高位不足四位用零补齐

CPU的控制器、运算器、寄存器

• 寄存器用来暂存指令、数据等处理对象，可以将它看做是内存的一种，一个CPU的内部一般有20～100个寄存器。

• 控制器负责把内存中的指令、数据读入寄存器，并根据指令的执行结果来控制整个计算机。

• 运算器负责运算从内存中读入寄存器的数据。

CPU的执行流程

1. 程序计数器 从 内存 中读取出的指令是放入 指令寄存器 中的
2. 指令接下来由 指令解码器（一种寄存器）解码，接着由运算器计算结果
3. 计算的结果最终可能返回到内存，也可能被写入某个寄存器中，在计算过程中也可能从内存中读取数据

程序计数器

程序计数器又叫指令指针寄存器，是寄存器的一种。

• 程序计数器负责从内存中获取指令，一开始指向第一条指令的内存地址，当这条指令被执行后，指针会自动指向下一条指令的内存地址（根据当前指令本身的字节大小计算偏移，如字节大小是3，则下一条地址就是从当前地址往后偏移3个字节）。

• 不同计算机程序计数器的实现不同，一般它就是一个寄存器。

CPU的指令集

不同架构的 CPU 的指令集不同，不同架构的 CPU 中相同名字的指令的含义也不一定相同。

指令

1. 一条指令就是一串二进制码，它的前几位一般是 操作码， 如 mov、add

2. 操作码 后面跟着的一般是 操作数，操作数可以是寄存器，也可以是某个内存地址，或者是常量

3. 不管什么样架构的CPU，CPU指令基本上都是按照 操作码 ＋ 操作数 的实现方式

函数调用栈

函数调用栈中的每个元素是一个栈帧，栈帧包含了参数值，局部变量和返回地址。

栈内存

计算机状态交互和系统调用

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

用户态：是指应用程序在运行时 CPU 所处的状态，这个时候的 CPU 所处的状态的级别特别低，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）。

内核态：是指操作系统在运行时 CPU 所处的状态，这个时候的 CPU 可以执行任何的一条的指令，包括特权指令，包括访问 I/O 指令等。

应用程序、操作系统、硬件之间的关系：

操作系统、CPU、内存之间的关系：

系统调用

系统调用是如何从用户态陷入内核态的？

• 在 32 位Linux操作系统中是通过 80 软中断实现的
• 在 64 位Linux操作系统中是通过 syscall 汇编指令实现的

64 位操作系统用户态发起系统调用的过程：

1. 将参数保存到寄存器
2. 根据系统调用名称得到系统调用号，并将其存储到CPU的 rax 寄存器中
3. 执行 syscall 指令
4. CPU会根据 rax 寄存器中的系统调用号到sys_call_table中找到对应的系统调用函数并执行该函数的指令代码，将运算结果写到 rax 寄存器中
5. 从 rax 寄存器中获取系统调用的结果值返回给用户态应用程序