3.硬件视角的操作系统

1 计算机系统的状态机模型

1.1 一切皆为状态机

• C 代码 = 状态机
  • SimpleC & GDB (TUI source)
• 汇编代码 = 状态机
  • GDB (TUI assembly)
• 处理器 = 状态机
  • mini-rv32ima; ICS PA
• 数字电路 = 状态机
  • Logisim

1.2 计算机系统的状态机模型

• 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

基本准确；但我们可以做一些补充

1.2.1 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

1.2.2 计算机系统：初始状态

CPU Reset

• Intel 的工程师已经规定好，x86 处理器复位：
  • EIP = 0x0000fff0
  • CR0 = 0x60000010
    • 处理器处于 16-bit 模式
• 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

1.2.3 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”

响应中断

• if (intr) goto vec;

输入输出

• 与 “计算机系统外” 交换数据
• 类似于程序：不使用 syscall 就等于死循环

2 固件：接管计算机系统的第一个程序

2.1 计算机系统 = 状态机

程序员如何控制计算机系统？

• 仅有 RESET 状态是不够的
• 答案：计算机系统会和 System Programmers 达成约定

2.2 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！

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 (RTFM)

Firmware：配置计算机系统

Firmware：加载存储设备上的引导程序

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
    • AMI 和 Phoenix BIOS, 等都活到了今天！
• 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……

计算机系统是严格的数学对象：没有魔法；计算机系统的一切行为都是可观测、可理解的。

• 处理器是无情的执行指令的机器。
• 处理器会规定好 Reset 后的行为。
• Reset 后 Firmware 开始运行，再加载操作系统。
• 厂商逐渐形成了达成共识的 Firmware Specification (IBM PC “兼容机”、UEFI、……)。