Linux环境编程导引

计算机系统硬件组成

 

总线

贯穿整个系统的一组电子管道称为总线, 分为:

  片内总线

  系统总线

数据总线DB

地址总线AB

控制总线CB

  外部总线

 

I/O设备

I/O设备是系统与外界联系的通道

    键盘鼠标是输入设备,显式器是输出设备,磁盘既是输入设备也是输出设备,输入输出是相对于内存来说的。

 

内存

  内存是一个重要的部件，它是与CPU进行沟通的桥梁。它用来存放程序以及程序要处理的数据，磁盘中的程序要加载到内存才能运行。

 

处理器

  中央处理器（CPU），简称处理器。

  CPU主要有运算器、控制器、寄存器构成

  取指: PC, IR

  译码: 指令译码器, RISC, CISC

  执行: ALU

  写回: -> 内存

  跳转: JMP

 

系统结构图

 

 

DMA传输

    DMA (直接访问内存)传输将数据从一个地址空间复制到另外一个地址空间的一种技术。当 CPU 初始化这个传输动作时，传输动作本身是由 DMA 控制器 来实行和完成, 而CPU可以继续去完成其他的工作, CPU仅在传输动作的开始和结束的时候参与数据传输的控制。 典型的例子就是移动一个外存的区块到芯片内部的内存区。像是这样的操作并没有让处理器工作拖延，反而可以使CPU重新去处理其他的工作。在实现DMA传输时，是由DMA控制器直接掌管总线。

操作系统

什么是操作系统

   操作系统是”有效地管理计算机系统中的资源，合理地管理计算机系统的工作流程，方便用户使用”的程序的集合。

 

操作系统三个基本抽象

    操作系统拥有三个基本抽象概念: 进程、虚拟存储器和文件。

    文件是对I/O设备的抽象表示，虚拟存储器是对主存和磁盘I/O设备的抽象表示，进程则是对处理器、主存和I/O设备的抽象表示。

进程

   进程是操作系统对正在运行的程序的一种抽象。一个系统可以运行多个进程，而每个进程好像在独占使用硬件。

 

进程上下文切换

 

 

 

虚拟存储器

  虚拟存储器为每个进程提供了一个大的、一致的、私有的地址空间;

  它将内存看成是存储在磁盘上的地址空间的高速缓存，在主存中只保存活动区域，并根据需要在主存与磁盘中来回交换数据。

  为每个进程提供一致的地址空间，简化了存储管理,保护每个进程的地址空间不被其他进程破坏。

 

进程虚地址空间

 

文件

   文件是一系列的字节序列,它向应用程序提供了一个统一的视角，来看待系统中各式各样的I/O设备。

 

虚拟文件系统VFS

    虚拟文件系统是内核实现的一种架构，为用户空间提供统一的文件操作接口，即文件系统调用。它在内核内部为不同的真实文件系统提供一致的抽象接口。

    用户通过系统调用与内核中的虚拟文件系统交互，进而操作实际的文件系统和设备。

 

系统编程 VS. 应用编程

系统编程

   在操作系统之上利用系统调用、C库进行对系统资源进行访问。编写如apache 、gcc、gdb 等的服务应用.

   系统资源包括:处理器,输入输出,进程管理,内存,设备,定时器,进程间通信,网络

应用编程

   在更高层次的编程接口或者库之上构建应用程序。如android程序（android sdk）、iphone程序（iphone sdk）、QT程序设计（QT）、MFC程序设计（MFC）等。

 

 

系统调用在系统中所处的位置

   所有操作系统都提供多种服务的入口点，由此程序向系统核请求服务。这些入口点被称之为系统调用(system call)，

 

 

C库

   这里我们所说的C库（libc），指的是标准C定义的Ｃ函数的集合。如标准输入输出函数、字符串处理函数、动态存储分配函数、日期时间函数、数学函数等。

   GNU发布的libc称为glibc.

 

系统调用与C库关系

   系统调用与Ｃ库从形式上来看都C函数;

   但C库函数有些是调用系统调用来实现的，比如说malloc、free调用brk，printf调用write系统调用，而有些函数不需要任何系统调用，比如abs(fabs)、strcpy、atoi等，因为它并不是必需要使用内核服务;

   因此系统调用通常提供的是最小界面，而Ｃ库函数通常提供更复杂的功能。

 

内核如何处理系统调用

   内核通过软中断的方式实现系统调用, 每个系统调用被赋予一个系统调用号, 在i386平台上，执行一个系统调用需要通过 INT 0x80 指令来完成, 从用户态切换到核心态.

   寄存器eax存放系统调用号, 寄存器ebx、ecx、edx、esi、edi存储系统调用参数，对于超过5个参数的系统调用，用一个寄存器(如ebx)指向用户空间的某个缓存, 该缓存存储所有系统调用的参数(可以多于5个)。

 

错误处理

   在系统编程中通常通过函数返回值来表示错误(一般-1代表函数执行出错)，并通过特殊变量errno来描述。

   errno这个全局变量在 errno.h 头文件中声明如下：extern int errno;

    错误处理函数:perror, strerror;

//示例

int main()
{
    int ret = close(10);
    /*
        if (ret == -1)
        {
            perror("close error");
        }
    */
    if (ret == -1)
    {
        fprintf(stderr, "close error with message: %s, errno = %d\n",
                strerror(errno), errno);
    }

    return 0;
}

 

常见错误代码
E2BIG	参数列表太长
EACCESS	权限不足
EAGAIN	重试
EBADF	错误的文件描述符
EBUSY	设备或资源忙
ECHILD	无子进程
EDOM	数学参数不在函数域内
EEXIST	文件已存在
EFAULT	地址错误
EFBIG	文件太大
EINTR	系统调用被中断

 

//常见错误代码打印程序

int main()
{
    for (int i = 0; i < 140; ++i)
    {
        errno = i;
        cout << "errno " << i << ": " << strerror(errno) << endl;
    }
    return 0;
}