linux系统编程基础（一） 计算机体系结构一点基础知识

在x86平台上,硬盘是挂在IDE、SATA或SCSI总线上的设备,保存在硬盘上的程序是不能被CPU直接取指令执行的,操作系统在执行程序时会把它从硬盘拷贝到内存,这样CPU才能取指令执行,这个过程称为加载(Load)。程序加载到内存之后,成为操作系统调度执行的一个任务,就称为进程(Process)。进程和程序不是一一对应的。一个程序可以多次加载到内存,成为同时运行的多个进程,例如可以同时开多个终端窗口,每个窗口都运行一个Shell进程,而它们对应的程序都是磁盘上的/bin/bash文件。

操作系统(OperatingSystem)本身也是一段保存在磁盘上的程序,计算机在启动时执行一段固定的启动代码(称为Bootloader)首先把操作系统从磁盘加载到内存,然后执行操作系统中的代码把用户需要的其它程序加载到内存。操作系统和其它用户程序的不同之处在于:操作系统是常驻内存的,而其它用户程序则不一定,用户需要运行哪个程序,操作系统就把它加载到内存,用户不需要哪个程序,操作系统就把它终止掉,释放它所占的内存。操作系统最核心的功能是管理进程调度、管理内存的分配使用和管理各种设备,做这些工作的程序称为内核(Kernel),在某个系统上内核程序是/boot/vmlinuz-2.6.28-13-generic文件,它在计算机启动时加载到内存并常驻内存。广义上操作系统的概念还包括一些必不可少的用户程序,比如Shell是每个Linux系统必不可少的,而Office办公套件则是可有可无的,所以前者也属于广义上操作系统的范畴,而后者属于应用软件。

访问设备还有一点和访问内存不同。内存只是保存数据而不会产生新的数据,如果CPU不去读它,它也不需要主动提供数据给CPU,所以内存总是被动地等待被读或者被写。而设备往往会自己产生数据,并且需要主动通知CPU来读这些数据,例如敲键盘产生一个输入字符,用户希望计算机马上响应自己的输入,这就要求键盘设备主动通知CPU来读这个字符并做相应处理(硬中断),给用户响应。这是由中断(Interrupt)机制实现的,每个设备都有一条中断线,通过中断控制器连接到CPU,当设备需要主动通知CPU时就引发一个中断信号,CPU正在执行的指令将被打断,程序计数器会指向某个固定的地址(这个地址由体系结构定义),于是CPU从这个地址开始取指令(或者说跳转到这个地址),执行中断服务程序(ISR,InterruptService Routine),完成中断处理之后再返回先前被打断的地方执行后续指令。比如某种体系结构规定发生中断时跳转到地址0x00000010执行,那么就要事先把一段ISR程序加载到这个地址,ISR程序是内核代码的一部分,在这段代码中首先判断是哪个设备引发了中断,然后调用该设备的中断处理函数做进一步处理。由于各种设备的操作方法各不相同,每种设备都需要专门的设备驱动程序(DeviceDriver),一个操作系统为了支持广泛的设备就需要有大量的设备驱动程序,事实上Linux内核源代码中绝大部分是设备驱动程序。设备驱动程序通常是内核里的一组函数,通过读写设备寄存器实现对设备的初始化、读、写等操作,有些设备还要提供一个中断处理函数供ISR调用。

MMU(MemoryManagement Unit)将VA映射到PA是以页(Page)为单位的,32位处理器的页尺寸通常是4KB。例如,MMU可以通过一个映射项将VA的一页0xb7001000~0xb7001fff映射到PA的一页0x2000~0x2fff,如果CPU执行单元要访问虚拟地址0xb7001008,则实际访问到的物理地址是0x2008。物理内存中的页称为物理页面或者页帧(PageFrame)。虚拟内存的哪个页面映射到物理内存的哪个页帧是通过页表(PageTable)来描述的,页表保存在物理内存中,MMU会查找页表来确定一个VA应该映射到什么PA。

操作系统和MMU是这样配合的:

1.操作系统在初始化或分配、释放内存时会执行一些指令在物理内存中填写页表,然后用指令

设置MMU,告诉MMU页表在物理内存中的什么位置。

（编辑：佛山站长网）

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