【操作系统笔记】程序运行机制CPU指令集

内存地址

指针 / 引用

指针、引用本质上就是内存地址，有了内存地址就可以操作对应的内存数据了。

在这里插入图片描述

不同的数据类型

在这里插入图片描述

字节序

大端序（Big Endian）：字节顺序从低地址到高地址顺序存储的字节序
小端序（Little Endian）：字节顺序从高地址到低地址顺序存储的字节序

对于人类来说，大端序比较好理解，字节序从低地址到高地址，对于计算机来说，小端序比较容易操作。

在这里插入图片描述

进制转换

二进制和十进制之间的转换

十进制转成二进制：整数除2取余；小数乘2取整

在这里插入图片描述

二进制转成十进制：按权求和方法

在这里插入图片描述

十进制和十六进制之间的转换

将十六进制转成十进制：按权展开求和方法，不过权的基数是16

在这里插入图片描述

十进制转成十六进制和十进制转成二进制的方法是一样的。

在这里插入图片描述

二进制和十六进制之间的转换

十六进制转成二进制：

每一位十六进制数字转换为四位二进制数字，
运算的顺序也是从低位向高位依次进行

在这里插入图片描述

二进制转成十六进制：

每四位二进制数字转换为一位十六进制数字，
运算的顺序是从低位向高位依次进行，
高位不足四位用零补齐

在这里插入图片描述

CPU的控制器、运算器、寄存器

在这里插入图片描述

寄存器用来暂存指令、数据等处理对象，可以将它看做是内存的一种，一个CPU的内部一般有20～100个寄存器。
控制器负责把内存中的指令、数据读入寄存器，并根据指令的执行结果来控制整个计算机。
运算器负责运算从内存中读入寄存器的数据。

CPU的执行流程

在这里插入图片描述

程序计数器 从内存中读取出的指令是放入 指令寄存器 中的
指令接下来由 指令解码器（一种寄存器）解码，接着由运算器计算结果
计算的结果最终可能返回到内存，也可能被写入某个寄存器中，在计算过程中也可能从内存中读取数据

程序计数器

在这里插入图片描述

程序计数器又叫指令指针寄存器，是寄存器的一种。

程序计数器负责从内存中获取指令，一开始指向第一条指令的内存地址，当这条指令被执行后，指针会自动指向下一条指令的内存地址（根据当前指令本身的字节大小计算偏移，如字节大小是3，则下一条地址就是从当前地址往后偏移3个字节）。
不同计算机程序计数器的实现不同，一般它就是一个寄存器。

CPU的指令集

不同架构的 CPU 的指令集不同，不同架构的 CPU 中相同名字的指令的含义也不一定相同。

在这里插入图片描述

指令

在这里插入图片描述

一条指令就是一串二进制码，它的前几位一般是 操作码，如 mov、add
操作码 后面跟着的一般是 操作数，操作数可以是寄存器，也可以是某个内存地址，或者是常量
不管什么样架构的CPU，CPU指令基本上都是按照 操作码＋操作数 的实现方式

在这里插入图片描述

函数调用栈

函数调用栈中的每个元素是一个栈帧，栈帧包含了参数值，局部变量和返回地址。

在这里插入图片描述

栈内存

在这里插入图片描述

计算机状态交互和系统调用

在这里插入图片描述

用户态 & 内核态

内核态：可以完全访问所有的硬件，也可以执行机器能够运行的任何指令
用户态：只能执行一部分机器指令，对于那些会影响机器的控制或者可进行IO操作的指令，在用户态中的程序中是禁止的

在这里插入图片描述

用户态：是指应用程序在运行时 CPU 所处的状态，这个时候的 CPU 所处的状态的级别特别低，不能直接访问某些机器指令，或者不能直接访问 I/O （读写磁盘）。

内核态：是指操作系统在运行时 CPU 所处的状态，这个时候的 CPU 可以执行任何的一条的指令，包括特权指令，包括访问 I/O 指令等。

应用程序、操作系统、硬件之间的关系：

在这里插入图片描述

操作系统、CPU、内存之间的关系：

在这里插入图片描述

系统调用

系统调用是如何从用户态陷入内核态的？

在 32 位Linux操作系统中是通过 80 软中断实现的
在 64 位Linux操作系统中是通过 syscall 汇编指令实现的

在这里插入图片描述

64 位操作系统用户态发起系统调用的过程：

将参数保存到寄存器
根据系统调用名称得到系统调用号，并将其存储到CPU的 rax 寄存器中
执行 syscall 指令
CPU会根据 rax 寄存器中的系统调用号到sys_call_table中找到对应的系统调用函数并执行该函数的指令代码，将运算结果写到 rax 寄存器中
从 rax 寄存器中获取系统调用的结果值返回给用户态应用程序