UNIX环境高级编程——计算机体系结构基础知识

无论是在CPU外部接总线的设备还是在CPU内部接总线的设备都有各自的地址范围,都可以像访问内存一样访问,很多体系结构(比如ARM)采用这种方式操作设备,称为内存映射I/O(Memory-mappedI/O)。但是x86比较特殊,x86对于设备有独立的端口地址空间,CPU核需要引出额外的地址线来连接片内设备(和访问内存所用的地址线不同),访问设备寄存器时用特殊的in/out指令(汇编),而不是和访问内存用同样的指令,这种方式称为端口I/O(PortI/O)。

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。

2.设置好之后,CPU每次执行访问内存的指令都会自动引发MMU做查表和地址转换操作,地址转换操作由硬件自动完成,不需要用指令控制MMU去做。

我们在程序中使用的变量和函数都有各自的地址,程序被编译后,这些地址就成了指令中的地址,

指令中的地址被CPU解释执行,就成了CPU执行单元发出的内存地址,所以在启用MMU的情况下,程序中使用的地址都是虚拟地址,都会引发MMU做查表和地址转换操作。

MMU除了做地址转换之外,还提供内存保护机制。各种体系结构都有用户模式(UserMode)和特权模式(PrivilegedMode)之分,操作系统可以在页表中设置每个内存页面的访问权限,有些页面不允许访问,有些页面只有在CPU处于特权模式时才允许访问,有些页面在用户模式和特权模式都可以访问,访问权限又分为可读、可写和可执行三种。这样设定好之后,当CPU要访问一个VA时,MMU会检查CPU当前处于用户模式还是特权模式,访问内存的目的是读数据、写数据还是取指令,如果和操作系统设定的页面权限相符,就允许访问,把它转换成PA,否则不允许访问,产生一个异常(Exception)。异常的处理过程和中断类似,不同的是中断由外部设备产生而异常由CPU内部产生,中断产生的原因和CPU当前执行的指令无关,而异常的产生就是由于CPU当前执行的指令出了问题,例如访问内存的指令被MMU检查出权限错误,除法指令的除数为0等都会产生异常。

通常操作系统把虚拟地址空间划分为用户空间和内核空间,例如x86平台的Linux系统虚拟地址空间是0x00000000~0xffffffff,前3GB(0x00000000~0xbfffffff)是用户空间,后1GB(0xc0000000~0xffffffff)是内核空间。用户程序加载到用户空间,在用户模式下执行,不能访问内核中的数据,也不能跳转到内核代码中执行。这样可以保护内核,如果一个进程访问了非法地址,顶多这一个进程崩溃,而不会影响到内核和整个系统的稳定性。CPU在产生中断或异常时不仅会跳转到中断或异常服务程序,还会自动切换模式,从用户模式切换到特权模式,因此从中断或异常服务程序可以跳转到内核代码中执行。事实上,整个内核就是由各种中断和异常处理程序组成的。总结一下:在正常情况下处理器在用户模式执行用户程序,在中断或异常情况下处理器切换到特权模式执行内核程序,处理完中断或异常之后再返回用户模式继续执行用户程序.

段错误是这样产生的:

1.用户程序要访问的一个VA,经MMU检查无权访问。

2.MMU产生一个异常,CPU从用户模式切换到特权模式,跳转到内核代码中执行异常服务程序。

3.内核把这个异常解释为段错误,把引发异常的进程终止掉。

中断与异常：

（硬件）外部中断：非拼比NMI，可屏蔽INTR（可扩8259A中断控制器，则最高可达64个中断源（I/O设备））。

（软件）内部中断：

1、DIV指令除数为0，或者商太大，产生类型0的中断。

2、INT指令，INT n

3、INTO指令，若上一条指令执行结果使溢出标志位OF=1，引起类型为4的中断。

4、单步执行，若标志位TF=1，每一条指令执行完都会引起类型1的中断。

中断的优先次序：内部中断（单步执行优先级最低），NMI，INTR。

异常：

1、故障Fault:指令执行前报告（段和页异常）

2、陷阱trap：指令执行后报告（单步和数据断点）

3、夭折abort:硬件故障或系统表不一致

异常0～16号

软件中断int n(0~255) --》陷阱trap



movl$1, %eax

movl$4, %ebx

int$0x80

int指令称为软中断指令,可以用这条指令故意产生一个异常,异常的处理和中断类似,CPU从用户模式切换到特权模式,然后跳转到内核代码中执行异常处理程序。int指令中的立即数0x80(0~255)是一个参数,在异常处理程序中要根据这个参数决定如何处理,在Linux内核中int$0x80这种异常称为系统调用(SystemCall)。内核提供了很多系统服务供用户程序使用,但这些系统服务不能像库函数(比如printf)那样调用,因为在执行用户程序时CPU处于用户模式,不能直接调用内核函数,所以需要通过系统调用切换CPU模式,经由异常处理程序进入内核,用户程序只能通过寄存器传几个参数,之后就要按内核设计好的代码路线走,而不能由用户程序随心所欲,想调哪个内核函数就调哪个内核函数,这样可以保证系统服务被安全地调用。在调用结束之后,CPU再切换回用户模式,继续执行int$0x80的下一条指令,在用户程序看来就像函数调用和返回一样。eax和ebx的值是传递给系统调用的两个参数。eax的值是系统调用号,Linux的各种系统调用都是由int$0x80指令引发的,内核需要通过eax判断用户要调哪个系统调用,_exit的系统调 用号是1。ebx的值是传给_exit的参数,表示退出状态。大多数系统调用完成之后会返回用户空间继续执行后面的指令,而_exit系统调用比较特殊,它会终止掉当前进程,而不是返回用户空间继续执行。可以说如read,write这样的系统调用的底层实现都是利用了这3条汇编指令,系统调用只是进入内核程序的一个接口,内核调用内核函数(如中断异常服务程序,实现各种普通文件操作的内核函数,各种设备驱动程序等)进行服务.