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硬件视角的操作系统

操作系统有三条主线：“软件 (应用)”、“硬件 (计算机)”、“操作系统 (软件直接访问硬件带来麻烦太多而引入的中间件)”。第二章讲解操作系统上的应用程序的本质 (状态机)。而程序最终是运行在计算机硬件上的，本章讲解什么是计算机硬件，以及如何为计算机硬件编程。

本讲内容：计算机硬件的状态机模型；回答以下问题：

  • 什么是计算机硬件？
  • 计算机硬件和程序员之间是如何约定的？
  • 听说操作系统也是程序。那到底是鸡生蛋还是蛋生鸡？

回顾：计算机硬件

计算机硬件 = 数字电路

计算机硬件 = 数字电路，数字电路模拟器 (Logisim代码模拟输出0,1,2)，实现思路：

  • 基本构件：wire, reg, NAND
  • 每一个时钟周期
  • 先计算 wire 的值
  • 在周期结束时把值锁存至 reg

“模拟” 的意义

  • 程序是 “严格的数学对象”
  • 实现模拟器意味着 “完全掌握系统行为”

计算机硬件的状态机模型

不仅是程序，整个计算机系统也是一个状态机

  • 状态：内存和寄存器数值
  • 初始状态：手册规定 (CPU Reset)
  • 状态迁移
  • 任意选择一个处理器 cpu
  • 响应处理器外部中断
  • 从 cpu.PC 取指令执行

到底谁定义了状态机的行为？

  • 我们如何控制 “什么程序运行”？

硬件与程序员的约定

Bare-metal 与程序员的约定

Bare-metal 与厂商的约定：

  • CPU Reset 后的状态 (即寄存器值，包括 PC)
  • 厂商自由处理这个地址上的值（在 PC 的位置，写入代码，CPU取指令译码执行）
  • Memory-mapped I/O

厂商（主板/CPU） 为操作系统开发者提供 Firmware（驱动和固件）

  • 管理硬件和系统配置
  • 把存储设备上的代码加载到内存，并且跳转到它的某个地址开始执行。
  • 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)

x86 Family: CPU Reset

寄存器会有确定的初始状态

  • EIP = 0x0000fff0
  • CR0 = 0x60000010
  • 处理器处于 16-bit 模式
  • EFLAGS = 0x00000002
  • Interrupt disabled

TFM (5,000 页+)

  • 最需要的 Volume 3A 只有 ~400 页 (我们更需要 AI)

其他平台上的 CPU Reset

Reset 后处理器都从固定地址 (Reset Vector) 启动

  • MIPS: 0xbfc00000
  • Specification 规定
  • ARM: 0x00000000
  • Specification 规定
  • 允许配置 Reset Vector Base Address Register
  • RISC-V: Implementation defined
  • 给厂商最大程度的自由

Firmware 负责加载操作系统

  • 开发板（物理）：直接把加载器写入 ROM
  • QEMU（模拟）：-kernel 可以绕过 Firmware 直接加载内核 (RTFM)

x86 CPU Reset 之后：到底执行了什么？

状态机 (初始状态) 开始执行

  • 从 PC 取指令、译码、执行……
  • 开始执行厂商 “安排好” 的 Firmware 代码
  • x86 Reset Vector 是一条向 Firmware 跳转的 jmp 指令

Firmware的分类：BIOS vs. UEFI

  • 一个小 “操作系统”
  • 管理、配置硬件；加载操作系统
  • Legacy BIOS (Basic I/O System)
  • IBM PC 所有设备/BIOS 中断是有 specification 的 (成就了 “兼容机”)

img - UEFI(Unified Extensible Firmware Interface)

为什么需要 UEFI？

应对越来越多的硬件（指纹锁、USB 转接器上的 Linux-to-Go 优盘、山寨网卡上的 PXE 网络启动、USB 蓝牙转接器连接的蓝牙键盘）

  • 各种驱动程序：设备都需要 “驱动程序” 才能访问；
  • 解决BIOS逐渐碎片化的问题；

img

回到 Legacy BIOS: 约定

Legacy BIOS的约定，提供机制，将程序员的代码载入内存

  • Legacy BIOS 把第一个可引导设备（A盘、B盘、C盘等）的第一个 512 字节加载到物理内存的 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

MBR(master boot record) 的 512字节，虽然最多只有 446 字节代码 (64B 分区表 + 2B 标识（0x55 0xAA）)

  • 但控制权已经回到程序员手中了！你甚至可以让 ChatGPT 给你写一个 Hello World

能不能看一下代码？

有没有可能我们真的去看从 CPU Reset 以后每一条指令的执行？

课堂代码：写一段 BIOS 程序，打印字符串，qemu 运行它并通过 gdb 调试

  • MBR 是由 Firmware 加载：检查 CPU Reset 时整个计算机系统的状态，发现 0x7c00 位置并没有出现 MBR 的内容；

计算机系统公理：你想到的就一定有人做到

  • 模拟方案：QEMU
  • 传奇黑客、天才程序员 Fabrice Bellard 的杰作
  • 真机方案：JTAG (Joint Test Action Group) debugger
  • 一系列 (物理) 调试寄存器，可以实现 gdb 接口 (!!!)

小插曲：Hacking Firmware (1998)

Firmware 通常是只读的 (当然……)

  • Intel 430TX (Pentium) 芯片组允许写入 Flash ROM
  • 只要向 Flash BIOS 写入特定序列，Flash ROM 就变为可写
    • 留给 Firmware 更新的通道
  • 要得到这个序列其实并不困难
    • 似乎文档里就有 🤔 Boom……

CIH 病毒的作者陈盈豪被逮捕，但并未被定罪

img

UEFI 上的操作系统加载

标准化的加载流程

  • 磁盘必须按 GPT (GUID Partition Table) 方式格式化
  • 预留一个 FAT32 分区 (lsblk/fdisk 可以看到)
  • Firmware 能够加载任意大小的 PE 可执行文件 .efi
  • 没有 legacy boot 512 字节限制
  • EFI 应用可以返回 firmware

更好的程序支持

  • 设备驱动框架
  • 更多的功能，例如 Secure Boot，只能启动 “信任” 的操作系统

实现最小操作系统

我们已经获得的能力

为硬件直接编程

  • 可以让机器运行任意不超过 510 字节的指令序列
  • 编写任何指令序列 (状态机)
  • 只要能问出问题，就可以 RTFM/STFW/ChatGPT 找到答案
    • “如何在汇编里生成 n 个字节的 0”
    • “如何在 x86 16-bit mode 打印字符”

操作系统：就一个 C 程序

  • 用 510 字节的指令完成磁盘 → 内存的加载
  • 初始化 C 程序的执行环境
  • 操作系统就开始运行了！

Bare-metal 上的 C 代码

为了让下列程序能够 “运行起来”：

int main() {
  printf("Hello, World\n");
}

需要准备

  • MBR 上的 “启动加载器” (Boot Loader)
  • 通过编译器控制 C 程序的行为
  • 静态链接/PIC (位置无关代码)
  • Freestanding (不使用任何标准库)
  • 自己手工实现库函数 (putch, printf, ...)

AbstractMachine Repo

课程提供的运行 C 程序的框架代码和库，针对裸机上的 C 语言运行环境。

提供 5 组 (15 个) 主要 API，可以实现各类系统软件 (如操作系统)：

  • (TRM) putch/halt - 最基础的计算、显示和停机
  • (IOE) ioe_read/ioe_write - I/O 设备管理
  • (CTE) ienabled/iset/yield/kcontext - 中断和异常
  • (VME) protect/unprotect/map/ucontext - 虚存管理
  • (MPE) cpu_count/cpu_current/atomic_xchg - 多处理器