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什么是操作系统

• 操作系统 Operating System 是一组控制和管理计算机 硬件 和 软件 资源合理地对各类作业进行 调度，方便用户使用计算机的程序集合。
• 操作系统的核心目标是，使系统资源的利用率高，系统的吞吐量大。

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操作系统的形成

用户想要调用硬件，需要使用硬件的驱动程序，那么如果换了硬件就需要更换驱动，这样可移植性差，于是出现了操作系统。
操作系统负责提供设备驱动框架来驱动不同的底层设备，同时提供了用户接口框架给上层用户。
后来操作系统一并将软件驱动纳入，形成软件操作系统。

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从程序看OS

提出问题：从hello world文件开始

1. hello world文件在磁盘中是怎么存储的？
   • 怎么存决定了怎么读
   • 利用文件系统
2. .c文件怎么变成让CPU认识的指令的？
   2.1 是否这些指令所有CPU都认识呢？
   2.2 是否编译成0101这种二进制文件系统就能运行了呢？
   • 我们现在的编程大多是 基于OS的程序设计
   • 而还有一种就是裸机编程，程序可以不需要操作系统直接调动硬件
3. 软件多次运行或者同时运行，CPU如何管理多个任务的？
4. 对于运行时的数据如何进行内存存放，内存如何管理？

总结下来就是，操作系统如何进行：

• 管理CPU —— 进程和线程 —— 调度与同步机制
• 管理内存 —— 内存管理
• 管理磁盘 —— 文件系统
• 管理IO —— IO设备

目前编译器帮我们解决了诸多问题

编译器帮助我们解决了前两个问题：管理CPU和管理内存。

• 调用进程线程来运行程序
• 编译器链接内存地址

调用指令

gcc -v

可以看到如下信息：

目标：x86_64-redhat-linux

说明gcc编译的指令集是面向x86架构的CPU，作用于linux操作系统的
gcc（编译器）解决了文件对于不同架构的CPU与不同的操作系统的问题。

gcc的编译过程

指令：

gcc helo.c -E -o a.i	# 将hello.c文件预处理
gcc a.i -S -o a.s		# 对预处理后的文本文件进行编译
gcc a.s -c -o a.o		# 对汇编文件进行汇编，生成二进制文件
gcc a.o -o a.out		# 对各种库和文件进行链接，生成可执行文件

cc1 hello.c -o /tmp/cceVNE1I.s            		# 编译器ccl  gcc -S
as -o /tmp/cc8ATX9H.o /tmp/cceVNE1I.s			# 汇编器as  gcc -c
ld -o build /tmp/cc8ATX9H.o  ...../*.o   -lc   	# 链接器ld  gcc

指令：

file a.out

可以调出可执行文件适用的CPU，操作系统等信息

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CPU的运作

CPU通过缓存对内存进行调度，其中，内存分为两种：

• 数据内存：存放数据。
• 控制器：
  • 在硬件通信中，需要高低电压的信号来互相通信，而高低电压的持续时间需要软件控制，而代码中会需要进行休眠来控制电压持续时间，如果CPU自己来做，就会造成CPU休眠（死机），所以创造出了控制器。
  • CPU告诉控制器，我需要什么类型的信号，由控制器进行操作，这样就能让CPU在控制器发信号和休眠的时间内做其他事情了。

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CPU对任务的切换

CPU在执行程序的时候，如何实现对任务的切换呢？

例如，对一个C程序：

#include <stdio.h>

int reslut() {
	int a = 1;
	int b = 2;
	return a + b;
}

int main() {
	int k = reslut();
	return 0;
}

1. CPU开始执行main()
2. 跳转到reslut()
3. 在CPU的寄存器内记录下a, b的数据，然后进行运算
4. 跳转回main()

那CPU是怎么知道要跳转到哪里的？

• CPU的寄存器中有一个名叫程序计数器（Program Counter, PC），程序计数器指示了下一条需要从内存中提取的指令的地址。当指令被提取后，程序计数器会自动更新为下一条需要提取的指令的地址，从而确保指令能够按正确的顺序执行。
• 另一个重要的寄存器是 栈指针（Stack Pointer, SP）。栈指针指向内存中当前栈的顶端。它包含了函数调用过程中传递的参数、局部变量以及未保存在寄存器中的临时变量。通过堆栈指针，CPU可以管理函数调用期间的数据和返回地址。
• 在进行多任务时，由于CPU内寄存器只有那么多，所以在切换任务前，PC 指针会保存当前任务的下一条语句的地址，然后将栈指针SP以及栈内的数据保存到内存的TCB任务控制块中，之后再跳转到另一个任务中。在任务完毕时，根据PC指针位置跳转，然后将对应数据从内存下载到栈内，这就是CPU和内存间的load/store操作。
  • 任务切换，也称上下文切换（Context Switch）