本文最后更新于：1 年前

并发的内容，包括Debug的，在这里就已经全部够啦！！！可以做点小的习题+Model Checker看看代码执行的过程，接下来回到操作系统，继续学习！！！

大学&“专业”

大学的意义：将已有的知识和方法重新消化，为大家建立好 “台阶”，在有限的时间里迅速赶上数十年来建立起的学科体系。

操作系统真的就是个 C 程序
你只是需要 “被正确告知” 一些额外的知识
- 然后写代码、吃苦头
- 从而建立正确的 “专业世界观”

专业的素质：

“专业世界观” 的例子 (这些都没啥，paper 都发不了)

写 x86 模拟器的时候，不知道哪条指令错了，怎么办？
做操作系统实验的时候，如果遇到神秘 CPU Reset，怎么办？
做实验做不下去的时候，该实现什么工具？

“专业世界观” 的学习方法

经典研究论文 (OSDI, SOSP, ATC, EuroSys, …)
久经考验的经典教学材料 (xv6, OSTEP, CSAPP, …)
海量的开源工具 (GNU 系列, qemu, gdb, …)
第三方资料，慎用 (tutorials, osdev wiki, …)

如果难顶，可能还要自己写一点工具，能够帮助我们解决对应的问题（聪明的，有效率的）

操作系统的启动

我们已经知道如何写一个 “最小” 的 C 程序了：

minimal.S
不需要链接任何库，就能在操作系统上运行

“程序 = 状态机” 没问题

带来更多的疑问
- 但谁创建的这个状态机？？？
  - 当然是操作系统了……呃……
- 这个程序可以在没有操作系统的硬件上运行吗？
  - “启动” 状态机是由 “加载器” 完成的
  - 加载器也是一段程序 (状态机)
  - 这个程序由是由谁加载的？

egg or chicken first?

Bare-metal 与程序员的约定（硬件和软件之间的约定！）
- 为了让计算机能运行任何我们的程序，一定存在软件/硬件的约定。比如按下了CPU的电源，发生了什么。
- CPU reset 后，处理器处于某个确定的状态（约定好的，固定的状态）-> 硬件厂商固定了硬件初始设置和一些固定的启动代码，然后固定开始执行（例如扫描外设）。这才有了操作系统的启动。
  - PC 指针一般指向一段 memory-mapped ROM
    - ROM 存储了厂商提供的 firmware (固件)
  - 处理器的大部分特性处于关闭状态
    - 缓存、虚拟存储、……
- Firmware (固件，厂商提供的代码)
  - 将用户数据加载到内存
    - 例如存储介质上的第二级 loader (加载器)
    - 或者直接加载操作系统 (嵌入式系统)

In computing, firmware is a specific class of computer software that provides the low-level control for a device’s specific hardware. Firmware, such as the BIOS of a personal computer, may contain basic functions of a device, and may provide hardware abstraction services to higher-level software such as operating systems.

Legacy BIOS: 约定
- Firmware（硬件上写死的那些东西）必须提供机制，将用户数据载入内存
- Legacy BIOS 把第一个可引导设备的第一个扇区加载到物理内存的 7c00 位置
  - 此时处理器处于 16-bit 模式
  - 规定 CS:IP = 0x7c00, (R[CS] << 4) | R[IP] == 0x7c00
    - 可能性1：CS = 0x07c0, IP = 0
    - 可能性2：CS = 0, IP = 0x7c00
  - 其他没有任何约束

操作系统和Firmware(Legacy Bios)的约定是：启动磁盘的第一个512个字节，叫主引导扇区（Master Boot Record, MBR）。512个字节，由firmware帮助我们自动搬到内存中的某个固定位置，并且开始执行。

上面就是我们的操作系统和Firmware的第一次，也是唯一一次握手。

怎么表示，一个磁盘的前512个字节是可以启动的？

为啥Windows从C盘开始编号？因为A, B盘是软盘，会从软盘驱动器读出对应的内容，看看能不能启动昂！

BIOS: 内存的7C00，存储的是磁盘的前512个字节，PC也指向这个位置。 -> BIOS就是帮助把代码搬过来，然后执行，开始拉起操作系统。

能不能看一下代码？

qemu给了gdb接口，我们可以在gdb中调试，这样就相当于给操作系统一个watchpoint，可以一步一步的看昂！！！

Gdb -x bootloader.gdb -> -x可以预先执行一些脚本，这样可以做很多初始化的配置昂！

鸡和蛋的问题解决(Firmware)

有个原始的鸡：Firmware

代码直接存在于硬件里
CPU Reset 后 Firmware 会执行
- 加载 512 字节到内存 (Legacy Boot)
- 然后功成身退

Firmware 的另一用处

放置一些 “绝对安全的代码”
- BIOS 中断 (Hello World 是如何被打印的)
- ARM Trusted Firmware
  - Boot-Level 1, 2, 3.1, 3.2, 3.3
  - U-Boot: the universal boot loader
笑死ROM可写！！！植入病毒！！！

ROM给你更新了，在ROM里面写入了一个死循环？？？ -> 开机都开不了。。。这个ROM没有写保护，可以更新，就造成了firmware并植入了病毒昂！！！

操作系统的状态机模型

Firmware 和 boot loader 共同完成 “操作系统的加载”

初始化全局变量和栈；分配堆区 (heap)
为main函数传递参数
- 谁给操作系统传递了参数？
- 如何实现参数传递？

进入 C 代码之后

完全遵循 C 语言的形式语义
但有一些行为 “补充” —— AbstractMachine API

一个迷你 “操作系统” thread-os.c

make 会得到一个 “磁盘镜像”，好像魔法一样
- 就跟你们第一次用 IDE 的时候按一个键就可以编译运行一样

int main() {
  cte_init(on_interrupt);

  for (int i = 0; i < LENGTH(tasks); i++) {
    Task *task    = &tasks[i];
    Area stack    = (Area) { &task->context + 1, task + 1 };
    task->context = kcontext(stack, task->entry, (void *)task->name);
    task->next    = &tasks[(i + 1) % LENGTH(tasks)];
  }
  mpe_init(mp_entry);
}

你怎么写一个操作系统？要知道并理解各个API的作用：

例如：

上面的mpe_init：将一个单线程的C程序，变成一个多线程的C程序。
cpu_count()：获得CPU的数量

mp_entry就是创建了cpu_count()个线程，每个线程都只有一个调用栈的栈帧。就是mp_entry，没有参数，PC就在代码的最头上。然后在CPU上执行调用就行

并发，多进程的状态机 -> 就是多进程处理器！！！

状态机是真的强啊。。。

所有的并发 + 系统调用（虚拟内存的翻译，中断），都可以在状态机中进行表示，本质就是状态机的转换！！！

上面这些API，就是状态机正确流转的最小的API啊！！！无非就是实现一个状态机嘛！！！

就上面这幅图，从BIOS, bootloader, main, mpe_init, CPU多线程执行，开中断之类的。从计算机一开始到最后多线程运行，本质就是一整个状态机的轮转哇！！！

例如CPU1开中断之后。变成了CPU1执行，CPU1中断和CPU2执行三条路径，状态机分叉增加，中断后面又跟着中断响应的处理，比如把CPU1的线程状态存入全局Context，然后改变指针指向去执行别的！！！

GDB调试代码，本质上就是走了上面这幅图中的一根线！！！你跟着代码动态的，从状态机上走了一次。

这里可以看看原视频，讲的非常的好！！！1h 15min左右昂！！！

RTFSC时间

GDB调试代码，本质上就是走了上面这幅图中的一根线！！！你跟着代码动态的，从状态机上走了一次。正确阅读代码，就应该顺着状态机走一次，理解一次，停下来看看情况！！！而不是一味干读代码昂！！！

例如代码上有注释，注释不就是#，诶嘿！这个不就是markdown里面，不同的标题记号吗？输出成Markdown，不就可以方便的根据注释作为标题，来主动找代码逻辑吗？

过滤一些杂七杂八的内容！！！ -> 而且，空格换成换行也很酷！！！

代码一下就清楚了昂！！！

用命令行，都是在编程（上面这种替换，就可以用正则表达式！！！）

老师刚刚给的那个例子，就可以调试，建议看看原视频。看看make是如何编译的！！！就和按一下Clion的按键一样，怎么一下子就跑起来了？？？ -> blackbox就会给人失控的感觉！
可以看看，我们是怎么去make，构造磁盘镜像过程的昂！！！

References

这个视频前几分钟特有意思，笑死我了，小学生 pk 大学生：https://www.bilibili.com/video/BV1yP4y1M7FE/?spm_id_from=333.999.0.0&vd_source=ff957cd8fbaeb55d52afc75fbcc87dfd

小学生很强orz

课件在这里：http://jyywiki.cn/OS/2022/slides/9.slides#/

南京大学操作系统

#研0自学

NJUOS-9-操作系统的状态机模型

https://alexanderliu-creator.github.io/2022/12/19/njuos-9-cao-zuo-xi-tong-de-zhuang-tai-ji-mo-xing/

作者

Alexander Liu

发布于

2022年12月19日

许可协议

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