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• 2025春季 操作系统 | Xintao Niu (钮鑫涛)

正文

3. 硬件视角的操作系统

3.1 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

​ 硬件也可视为是一个状态机，就是一个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

​ PC（Program Counter） 中文叫 程序计数器，作用是：存放下一条将要执行的指令在内存中的地址。

​ 定义一个 CPU 状态结构体，用软件模拟 CPU 的内部组成。

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;
};

成员	含义
regs[32]	通用寄存器数组（32 个寄存器，如 x0~x31）
csrs[CSR_COUNT]	控制状态寄存器组（例如程序计数器 PC、状态寄存器等）
mem	指向内存的指针（CPU 可以访问的主存）
mem_offset, mem_size	表示内存的起始位置和大小，用于确定可访问的范围

​ 定义一个 CPU 状态结构体，描述 CPU 能直接操作的一切：寄存器 + 内存。

还有外部世界的态（除 CPU 自身的寄存器和内存外）

• 设备上的寄存器 (memory-mapped I/O 可以访问)

  • 外设（I/O 设备，如键盘、网卡、显示器）
  • 中断信号线（Interrupt Line）
  • 复位信号线（Reset Line）
  • 其他外部环境

• Interrupt/Reset Line

• 客观存在，但计算机系统不能直接访问

  • 外设发中断 → CPU 被迫响应；

  • 复位线拉低 → CPU 状态被清零。

  • 类比：进程只能通过 syscall 访问进程外的信息

​ 计算机系统可分为 CPU 内部状态（寄存器、内存） 与 外部世界状态（设备、中断、复位线等）。

​ CPU 只能通过受限的接口（如 memory-mapped I/O 或中断）与外部世界交互，就像进程只能通过 syscall 与系统交互一样。

例如单片机 GPIO 口：

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

层次	角色	类比
用户空间	应用调用 /sys/class/gpio 或驱动提供的接口	“按下按钮”
内核空间	gpio_set_value()	“告诉电路控制器输出高电平”
硬件层	memory-mapped I/O 写入 GPIO 控制寄存器	“真的把电压线拉高”

​ 表示在 Linux 内核中控制 GPIO 引脚输出高电平。

​ 它通过 memory-mapped I/O 方式写入 GPIO 控制寄存器，从而影响外部世界（让引脚电压变化），这正是“CPU 访问外部世界状态”的例子。

2. 计算机系统：初始状态

​ 老旧电脑配 RESET 按钮，是为了在系统死机或初始化混乱时，人为触发硬件复位信号，让 CPU 和外设回到“初始状态”，重新开始执行引导程序。

​ 现代电脑仍然有复位逻辑，但通过电源管理芯片和固件自动完成，不再需要用户手动按按钮。

在 x86-64 CPU 上，Reset 状态意味着：

• CPU 回到 16 位实模式；
• CS:IP = F000:FFF0（物理地址 0xFFFFFFF0）；
• 各控制寄存器、标志寄存器清零；
• 中断禁用、分页关闭；
• 从 BIOS ROM 顶端开始执行；

这就是计算机“上电的第一条指令”。

硬件视角的操作系统

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

3. 计算机系统：状态迁移

​ 系统的每一个“动作”——例如执行一条指令、响应中断、读写外设——都会让这个状态发生改变，这就是“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;（跳转到中断向量）
  • CPU 在正常执行指令；
  • 外部世界（设备）发出中断信号；
  • 系统检测到中断；
  • 执行流立即“跳转”到中断处理程序（vector）。

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

• 计算机内部状态：寄存器、内存、设备寄存器

• 外部世界状态：例如键盘被按下、硬盘电机转动、显示器像素点亮

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

CPU 的职责非常“机械”：

• 它从内存中取指（fetch）；
• 译码（decode）；
• 执行（execute）；
• 然后继续下一条。

CPU 不会也不可能理解“这是不是操作系统”。

对它而言，内存里的所有内容都只是 0 和 1 的机器指令。

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

操作系统在启动后接管了硬件资源的访问权；

它设置了中断向量表（告诉 CPU：中断时跳到哪里执行）；

它管理内存、进程、I/O、文件系统；

应用程序要访问硬件时，只能**通过操作系统提供的接口（系统调用）**间接完成。

• 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）

操作系统只是“在中断发生时，硬件自动跳去执行的一段特别的程序”。

3.2 固件：硬件和操作系统之间的桥梁

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？

​ CPU 本身没有程序存储器，也不会凭空知道“接下来要干嘛”，所以必须在它 Reset 后取指的那块内存区域里，已经有可以执行的机器码。

​ 这些机器码就是主板或硬件厂商预先写入的，通常存在于**非易失性存储器（ROM/Flash）**里。

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

平台	固件名称	作用
x86	BIOS / UEFI	初始化硬件、加载操作系统
ARM（嵌入式）	BootROM / Bootloader	初始化外设、启动内核
单片机	固件 (firmware)	直接控制硬件，无操作系统

​ 当 CPU 上电复位后，它不会直接执行操作系统，而是先执行固件。

​ 固件是硬件厂商预置的一段程序，它拥有系统的完全控制权，并负责把控制权移交给操作系统。

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，但要升级失败可能就变成砖了）

Firmware 的功能

• 运行程序前的计算机系统配置
  • CPU 电压、内存时序、接口开关……
  • (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 可以配置操作系统、加载引导程序，就是一段代码。

Firmware 就是一个小 “操作系统”

• CPU Reset 后初始化硬件；对接操作系统 Boot Loader

​ 当计算机上电复位后，CPU 什么都不知道。

​ 固件（BIOS 或 UEFI） 负责完成以下工作：

1. 初始化各种硬件（CPU、内存、显卡、键盘、磁盘控制器等）；
2. 构建一个最小可用的执行环境；
3. 寻找系统启动介质（硬盘、光盘、U盘、网络等）；
4. 加载并跳转执行 操作系统的 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

​ 只要硬件厂商实现了同样的 BIOS 接口规范，操作系统就可以不关心底层硬件差异。

• 成就了百花齐放的 “兼容机” 时代
  • AMI 和 Phoenix BIOS, 等都活到了今天！

​ BIOS 规范是公开的、文档化的（有完整的 Specification）。

于是：

• 任何厂商都可以做出“IBM PC 兼容”的机器；
• 只要 BIOS 符合规范，DOS/Windows 就能直接运行。

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……

​ 现代主板上的 UEFI，已经是一个“功能齐全的小操作系统”——它有文件系统、驱动、图形界面、甚至网络栈。

如何防止病毒破坏硬件？

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……导致曾经就有能够破坏硬件的病毒出现，坏了只能拆主板，换 EEPROM：cih-1.4.asm

只允许写入信任的固件更新

• 数字签名机制
  • 公钥加密（Diffie-Hellman/RSA）
  • 感谢今天的 SSL/TLS（HTTPS）！
• Intel Boot Guard 私钥泄露

为什么现在电脑病毒越来越少了？

• 更安全的操作系统
• AppStore 机制（软件包经过审查）
• 云端备份（“给钱恢复文件” 勒索越来越无效）

3.3 加载操作系统

回到 40 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？（还能起到检查磁盘是否损坏的效果）

• BIOS 加载磁盘前 512 字节到 0x7C00 → CPU 执行
• Boot Sector 最后两个字节必须是 0x55AA（魔数）
• 简单示例代码：
  • EB FE → 无限循环
  • 508 个零填充
  • 55 AA → 魔数

这就是 IBM PC DOS 时代最基本的 操作系统加载流程。

让我们试一试

• 我们喜欢 shell 的原因：Quck & Dirty
• (printf "\xeb\xfe"; cat /dev/zero | head -c 508; printf "\x55\xaa") > a.img
  • eb fe 是 jmp .

1. printf "\xeb\xfe"
   • EB FE 是 x86 机器码的 jmp .
   • 意思：无限循环自己，防止 CPU 执行到未知区域崩溃
2. cat /dev/zero | head -c 508
   • 生成 508 个 0 字节，填充 Boot Sector 的剩余空间
3. printf "\x55\xaa"
   • 在末尾添加 魔数 0x55AA，保证 BIOS 识别这是有效启动扇区

整个文件大小 = 512 字节 = Boot Sector 完整大小。

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？

• 计算机系统公理：你想到的就一定有人做到
• 再次使用 QEMU, A fast and portable dynamic translator
  • 如果你想知道是哪条指令加载了 0x7c00 位置的 eb fe，你需要？

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)

Boot Sector = 512 字节（一个扇区）

结构划分：

区域	大小	用途
0–445	446 字节	Bootloader Stage 1 代码
446–509	64 字节	分区表（Partition Table）
510–511	2 字节	魔数 0x55AA

所以：

​ 系统程序员在最底层，能直接写的 16-bit Bootloader 代码只有 446 字节。

​ 这就是 “Firmware 和程序员的第一个接口”，也叫做 MBR Stage 1。

Grub 的例子

• Stage 1: 扫描磁盘，找到附近的 ELF 文件头（ELF 是 Linux 可执行文件格式），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！

​ Grub 是一个 Bootloader（引导加载程序），作用是在固件（BIOS/UEFI）完成最初的硬件初始化后，把控制权交给操作系统内核。

RISC-V: 固件与操作系统引导

只需要提问 & 追问就行了

1. RISC-V 系统是如何复位、执行什么固件、如何加载操作系统的？
2. OpenSBI 的入口位于什么地方？
3. _start 开始的 _try_lottery 是做什么的？

阶段	作用	地址/入口
CPU Reset	指向复位向量，启动固件	硬件定义地址，如 0x1000
固件（OpenSBI）	初始化平台，提供 SBI 调用	_start 函数
内核	接管系统，启动任务/进程	_start，第一个执行 _try_lottery 或类似函数

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