Yanyan's wiki
 for 

硬件视角的操作系统

1. Aside: 上课之前

学习方法：你做对了吗？

大家都明白应该下载运行示例代码

  • 但好麻烦啊，看一眼就不想下了 😭
  • Don’t panic! 现在已经是 “intelligence is cheap” 的时代了

一个改变世界的 prompt

  • 我在做 X。如果你是一个专家，你会怎么做？
    • 被动：学习 Coding Agent 所做的 “正确的事”
    • 主动：让 Copilot 不停地追问，并实时给出建议
    • 都可以帮助你建立正确的概念
  • 不用担心，我也是新手
    • 我也虚心请教 AI: code 绑定到 workspace #2、解决了 click url 的问题、加大了鼠标指针、默认进入 /tmp/vibe/……

复习：软件、硬件和操作系统

软件：C (SimpleC), Python, …

  • 初始状态：stack=[main(argc, argv), globals]
  • 迁移：执行一条语句

硬件：x86, RISC-V, ARM…

  • 初始状态：CPU Reset
  • 迁移：执行一条指令/响应中断

操作系统：使软件能运行在硬件上的程序

  • 系统调用 API (syscall/ecall/svc 指令)，将控制权交给操作系统

2. 什么是计算机硬件

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

这就是计算机系统中的抽象

  • 隔离复杂性的根本手段
  • 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、指令集、sub-agent……
  • 抽象层的设计将是 Agentic AI 时代的重要能力
    • 对于低年级的同学，先去广泛地了解各种设计

计算机系统的状态机模型

无情执行指令的机器。

状态

  • 内存、寄存器的数值

初始状态

  • 由系统设计者规定 (CPU Reset)

状态迁移

  • 从 PC 取指令执行

准确，但忽略了一些重要的细节

  • 一个 “jmp .” 机器不就永远卡死了吗？
    • 一点点细节使操作系统可以被实现出来

计算机系统：状态

内部状态：寄存器、内存

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

外部状态：整个世界

  • 计算机系统无法完全控制的客观存在
    • 设备上的寄存器 (memory-mapped I/O 可以访问)
      • 计算机对外界产生影响的主要方式
    • Interrupt/Reset Line

例子: GPIO

gpio_set_value(GPIO_23, 1); // in Linux kernel
  • 大家只要有 “GPIO” 的概念，剩下的都可以用聊天解决
    • 扫描系统中的 GPIO，询问可以做什么

计算机系统：初始状态

CPU Reset 是明确的行为

  • 为什么老旧电脑要配一个 Reset 按钮？
    • 历史总是惊人的相似
    • 今天的 OpenClaw 颇有当年 PC 时代的感觉

实际的 CPU Reset

x86, ARM, RISC-V

  • 它们的 CPU Reset 是什么？
  • 体现了怎样的设计理念？
    • 你只需要有正确的概念，剩下的可以交给 AI

对比：我的预训练过程

探索 CPU Reset

我们都知道完整的计算机系统是从 CPU Reset 开始的。这里提供了三个架构的 “最小代码” 演示，展示 CPU Reset 后立即执行 “结束” 代码的短小程序，并打印出执行的指令序列和寄存器变化。运行程序，我们可以明确地看到 CPU Reset 后的寄存器状态，以及执行指令的结果：计算机世界没有任何魔法。

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
    • 读取电信号 (input) 或把电信号传递给设备 (output)

小结：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
    • 为了操作系统能实现出来，提供了许多机制 (中断、I/O、……)

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 (系统调用) 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)

3. 固件：硬件和操作系统之间的桥梁

刚才遗漏的一个细节

CPU = 无情执行指令的机器

  • 从 CPU Reset 开始执行
    • 从 Mem[PC] 取指令
    • 译码、执行，如此往复
  • 这里必须得是合法的代码
    • 那到底执行了什么代码呢？
    • 代码是谁放在这里的呢？

答案：系统厂商的代码

  • 把一个特殊的存储器 memory-map 到 CPU Reset 后的代码
    • 这段代码 “出生” 就有机器完整的控制权

Firmware

“固件”

  • 厂商 “固定” 在计算机系统里的代码
    • 早期：固件是 ROM
    • 想升级？换芯片！(今天可以直接升级固件了)

Firmware 的功能

  • 完成硬件扫描、初始化和配置
    • (这些配置要生效可能需要重启计算机)
  • 不严格地说，加载操作系统
    • QEMU：可以绕过 Firmware 直接加载操作系统 (Manual)

Firmware 功能：配置计算机系统

按一个特殊的组合键进入菜单

  • Del, F2, F1, ESC, F10, F12, … (品牌差异很大)
  • 你会得到一个直接 “看到” 系统硬件的机会
    • 甚至可以配置 CPU 功能开关、风扇转速、接口功能、供电电压、内存时许……

Firmware：就是一段代码

一个小 “操作系统”

  • CPU Reset 后初始化硬件；对接操作系统 Boot Loader

Legacy BIOS (Basic I/O System)

  • IBM PC 所有设备/BIOS 中断是有 specification 的
    • 16-bit DOS 时代 BIOS 常驻内存，提供 I/O 等功能
  • 成就了百花齐放的 “兼容机” 时代

UEFI (Unified Extensible Firmware Interface)

  • 提供更丰富的支持 (例如设备驱动程序)：指纹锁、山寨网卡上的 PXE 网络启动、USB 蓝牙转接器连接的蓝牙键盘……

3.1. 小插曲

梦回 1998

Firmware 通常是只读的 (当然……)

  • (它可是接管了 CPU Reset，store 指令不会有任何效果)

但是 Firmware 也需要更新

  • Intel 430TX (Pentium) 芯片组允许写入 (更新) PROM
    • 在那个时代，大家还没意识到问题……
    • 有些主板有写保护的跳线 (但默认可写)
  • 为防止 Bug 损坏 Firmware
    • 只要向 BIOS 写入特定序列，写保护即打开
    • 但这个序列就在手册里 👽……

有一个和你们差不多大的青年

“……CIH (Chernobyl) 病毒完全是他一人设计的，目的是想出一家在广告上吹嘘 “百分之百防毒软件” 的洋相……”

历史上影响最大的病毒之一：它可以破坏硬件！

  • 坏了就只能拆主板，换 EEPROM 啦！(让我们看看代码吧)
  • 当年作者被捕，未被定罪 (时年 23 岁)

center w:500

CIH 病毒

CIH (也称为 Chernobyl 病毒) 是台湾大同大学学生陈盈豪于 1998 年创建的，能够影响早期的 Windows 9x (95、98、Me) 操作系统。在 AI 的帮助下，我们把病毒代码翻译成了 “好读” 的 C 语言，可以清晰地看到病毒感染、潜伏和破坏的过程。

如何预防病毒破坏固件？

只允许写入信任的固件更新

现在的电脑病毒

  • 炫技搞破坏的意义越来越小
    • 更安全的操作系统、AppStore 机制 (软件包经过审查)、云端备份
      • 我不小心 rm -rf 了 iCloud，也找回来了 😂
  • 获取权限的意义越来越大
    • 偷取隐私、LLM Token、移动支付……

3. 从固件到操作系统

回到 43 年前

IBM PC/PC-DOS 2.0 (1983)

  • Firmware (BIOS) 会加载磁盘的前 512 字节到 0x7c00
    • (如果这 512 字节最后是 0x55, 0xAA)
    • 为什么是 0b01010101 和 0b10101010？

让我们试一试

(printf "\xeb\xfe"; cat /dev/zero | head -c 508; printf "\x55\xaa") > a.img
  • 还记得 eb 是什么吗？

如果 Firmware 也是代码？

计算机系统从 CPU Reset 开始

  • CPU Reset 的时候，0x7c00 应该是啥也没有的
  • Firmware 的代码扫描了磁盘、加载了它

那我们是不是可以看到 “加载” 的过程？

Firmware 和系统程序员的第一个接口

我们可以写 446 字节的 16-bit 代码

  • 446 = 512 - 2 (55 aa) - 64 (分区表)

Grub 的例子

  • Stage 1: 扫描磁盘，找到附近的 ELF 文件头，加载到内存
    • 根据文件系统，可能会需要 Stage 1.5
  • Stage 2: 这个 ELF 文件是 Grub; 弹出熟悉的选择系统窗口
  • Stage 3: 加载 Linux Kernel
    • 忽然觉得没什么难的了！

调试 SeaBIOS 固件

课程和互联网上的文档都声称是 Firmware 代码将具有 55 aa Magic Number 磁盘的前 512 字节载入内存。经过一些尝试 (例如修改 Magic Number)，我们确认了这一行为；更进一步地，我们能否调试固件的代码，看看到底是什么指令实现了磁盘到内存的搬运？这就用到了《计算机系统基础》实验中的 Watch Point。在这里，我们还用到了 init.gdb，它可以帮我们省去每次运行时的重复输入命令，也可以设置 hook (钩子)，每当程序暂停时显示一些我们关心的信息——我们定制和扩展了 gdb，使它在调试专属于我们的任务时更加强大。

RISC-V: 固件与操作系统引导

OpenSBI

  • 开源的 “Supervisor Binary Interface” (就是 firmware)

一年以前：我们还在 “古法阅读”，Agent 还各种不听指令

  • 万万没想到：今天只要提问就行了
    • OpenSBI 的入口位于什么地方？如何组织……？
    • 在大型系统上，self-attention 和 “编程直觉” 强得可怕

OpenSBI

一个开源的 RISC-V 引导固件，用于管理 RISC-V 平台的启动过程。它实现了 SBI（Supervisor Binary Interface）规范，为操作系统提供了硬件抽象层，简化了系统启动和硬件管理。OpenSBI 支持多种 RISC-V 处理器和平台，广泛用于嵌入式系统和开发板。

Takeaways

硬件是一个无情执行指令的状态机，从 CPU Reset 开始执行固件 (Firmware) 中的代码。固件负责初始化硬件并加载操作系统。操作系统本质上就是一个普通的二进制程序，它接管了中断、I/O 等资源，并把应用程序 “放” 到 CPU 上运行。从硬件的角度看，硬件根本不知道有没有操作系统的存在。

阅读材料

大家可以在 AI 的帮助下，了解你感兴趣的体系结构的执行模型，例如 CPU Reset 行为、中断处理、特权级等；了解 BIOS/UEFI 的工作原理；尝试编译 OpenSBI 并理解固件的编译链接过程。

Creative Commons License: BY-NC 4.0
苏 ICP 备 2020049101 号