硬件视角的操作系统

一句话：硬件根本不知道有没有操作系统

• 我就是个无情执行指令的状态机
  • 见什么指令执行什么指令

计算机系统中的抽象

• 下层不需要知道上面怎么用，只管 “无情地提供服务”
  • 系统调用支撑应用程序
  • 指令集支撑高级语言程序

计算机系统的状态机模型

无情执行指令的机器。

1. 状态

• 内存、寄存器的数值

2. 初始状态

• 由系统设计者规定 (CPU Reset)

3. 状态迁移

• 从 PC 取指令执行

基本准确；但我们可以做一些补充

1. 计算机系统：状态

寄存器、内存

struct CPUState {
    uint32_t regs[32], csrs[CSR_COUNT];
    uint8_t *mem;
    uint32_t mem_offset, mem_size;
};

还有外部世界的态

• 设备上的寄存器 (memory-mapped I/O 可以访问)
• Interrupt/Reset Line
• 客观存在，但计算机系统不能直接访问
  • 类比：进程只能通过 syscall 访问进程外的信息

例子: GPIO

gpio_set_value(GPIO_23, 1); // in Linux kernel

2. 计算机系统：初始状态

为什么老旧电脑要配一个 RESET 按钮？

x86 Family: CPU Reset

考考人工智能

x86-64 的 CPU Reset 状态是怎样的？

• 曾经：你要去 The Friendly Manual 里大海捞针
  • CPU Reset (Intel® 64 and IA-32 Architectures Software Developer’s Manual, Volume 3A/3B)
  • Volume 3A: ~400 页
    • 我学习《操作系统》时的圣经
• 今天地球人都不再需要了
  • 大海捞针可以让 AI 帮你捞

CPU Reset: 其他体系结构

RISC-V：百花齐放，百家争鸣

• 初始 PC 无规定；寄存器除了 x0 全部 undefined
• 少数 CSR 有规定 (例如 interrupt disabled)
  • 设计原则：省电路
  • 软件能做的，硬件绝对不管

百万碎片

• ARM: 规定了 CPU Reset，但没有规定设备寄存器的映射
• 每台机器都看起来 “不太一样”
  • qemu-system-aarch64 -machine help

3. 计算机系统：状态迁移

执行指令

• 如果有多个处理器？
  • 可以想象成 “每次选一个处理器执行一条指令”
  • 在并发部分会回到这个问题

响应中断

• if (intr) goto vec;

输入输出

• 与 “计算机系统外” 交换数据
  • 类似于系统调用的 “访问外部” 机制

回到开头：硬件视角的操作系统

一句话：硬件根本不知道有没有操作系统

• 我就是个无情之行指令的状态机
  • 见什么指令执行什么指令

操作系统就是一个普通的 (二进制) 程序

• 接管了中断、I/O、……
  • 应用程序不能直接访问
• 把应用程序 “放” 到 CPU 上运行一会
  • 中断后，操作系统又开始执行
  • (操作系统启动后，操作系统就变成了一个中断处理程序)