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第0章一些你可能正感到迷惑的问题

news 2025/7/16 7:25:50

操作系统是什么

操作系统是控制管理计算机系统的硬软件，分配调度资源的系统软件。
由操作系统把资源获取到后台给用户进程，但为了保护计算机系统不被损坏，不允许用户进程直接访问硬件资源。
操作系统相当于是一个分配资源的机构，用户进程的资源需要通过操作系统来分配，不同的事交给不同的资源进行工作。
系统事各种功能组合到一起后，产生最终输出的组合物。

软件是如何访问硬件的

硬件在输入输出上大体分为串行和并行，相应的接口也就是串行接口和并行接口。串行硬件通过串行接口与CPU通信，CPU通过串行接口与串行设备数据传输。并行设备访问类似。
访问IO接口的本质就是访问IO接口上面的寄存器。

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应用程序是什么，和操作系统是如何配合到一起的

应用程序是通过系统调用来和操作系统配合完成某项功能的
应用程序是软件，操作系统也是软件，对于CPU来说它们没有区别。操作系统只是一种管理计算机的管理办法。
应用程序要用某种语言编写，编译器将语言翻译成某种机器指令。
应用程序加上操作系统提供功能才算是完整的程序，这个程序中的一部分是操作系统已经完成的，需要调用操作系统中提供好的函数才能完成，这个函数便是系统调用。

用户态与内核态是对CPU来讲的，是指CPU运行在用户态（特权3级）还是内核态（特权0级）
用户态是CPU运行应用程序，内核态是CPU运行操作系统的内核程序
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为什么称为“陷入”内核

最外圈是应用程序，里面是操作系统。应用程序处于特权级3，操作系统内核处于特权级0.当用户程序要访问系统资源，它需要进行系统调用。这样CPU便进入了内核态，也称管态。
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内存访问为什么要分段

内存按访问方式看，其结构就如同下图的长方形带子，地址依次升高。内存是随机读写设备，即访问其内部任何一处，不需要从头开始找，只要直接给出其地址便可。
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分段是内存访问机制，是给CPU用的访问内存的方式，只有CPU才关注段。若加载程序运行，不管其是内核程序还是用户程序，程序中的地址若都是绝对物理地址，那该程序必须放在内存中固定的地方，两个编译出来地址相同的用户程序无法同时运行，于是，让CPU采用“段基址+段内偏移地址”的方式来访问任意内存。程序中需要用到哪块内存，只要先加载合适的段到段基址寄存器中，再给出相对于该段基址的偏移地址即可，CPU中的地址单元会将这两个地址相加后的结果用于内存访问，送上地址总线。
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只要程序分了段，把整个段平移到任何位置后，段内的地址相对于段基址是不变的，无论段基址是多少，只要给出段内偏移地址，CPU就能访问到正确的指令。于是加载用户程序时，只要将整个段的内容复制到新的位置，再将段基址寄存器中的地址改成该地址，程序便可准确无误地运行，因为程序中用的是段内偏移，相对于新的段基址，该偏移地址处的内存内容还是一样的。
除此以外，程序分段可以将大内存分成可以访问的小段，通过在内存中来回挪位置的方式可以访问到任意内存位置。
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代码中为什么分为代码段、数据段？这和内存访问机制中的段是一回事吗？

代码中为什么分为代码段、数据段？

在硬件的内存访问机制中，处理器要用硬件（段寄存器）指向以软件形式所定义的内存段。
在平坦模式下，硬件寄存器中指向的内存段为最大的4GB，而在多段模式下编程，硬件段寄存器中指向的内存段大小不一。在多段模型下的程序划分是程序员人为划分的。如果是在平坦模式下编程，操作系统将整个4GB内存都放在同一个段中。对于代码是否要分段，这取决于操作系统是否在平坦模型下。

一般的高级语言使用的编译器针对采用平坦模式的操作系统，因此不支持程序与自己分段，由于处理器的分页机制，编译器会将程序按内容自动划分为代码段和数据段。
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CPU在执行当前指令时，可以获得下一条指令的地址，因为程序中的指令是挨着的不存在空隙，下一条指令的地址是按照前面指令的尺寸大小排下来的。
**为了让程序内指令接连不断地执行，要把指令全部排在一起，形成一片连续的指令区域，这就是代码段。**把数据连续地并排在一起存储形成的段落就称为数据段。
指令在物理上是连续的。不过对于CPU来说，指令在逻辑上是连续的就可以，即使数据和代码在物理上混在一起，只要程序中有指令能够跨过这些数据就行。（jmp）
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将数据和代码分开的好处：
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这和内存访问机制中的段是一回事吗？

编译出来的代码段是指一片连续的内存区域，这个段有自己的起始地址和大小范围。
用户进程的段只是为了便于管理，而编译器或程序员在“美学方面”做出的规划。
内存分段指的是处理器访问内存而采用的机制，称之为内存分段机制。程序分段是软件人为逻辑划分的内存区域，用于不同数据的归类，它本身也是内存，所以处理器在访问该区域时，也会采用内存分段机制，用段寄存器指向该区域的起始地址。
内存分段时为了能够访问内存，程序分段是为了更好的分配内存。

物理地址、逻辑地址、有效地址、线性地址、虚拟地址的区别

物理地址就是物理内存真正的地址，相当于内存中每个存储单元的门牌号，具有唯一性。
在实模式下，“段基址+段内偏移地址”经过段部件的处理，直接输出的就是物理地址，CPU可以直接用此地址访问内存。
在保护模式下，“段基址+段内偏移地址”称为线性地址。这里的段基址不是真正的地址，而是类似索引的选择子，通过这个索引便能在GDT中找到相应的段描述符。
若开启了分页功能，此线性地址又可称为虚拟地址，虚拟地址、线性地址在分页机制下是一回事，线性地址或称为虚拟地址，都不是真实的内存地址，它们都是用来描述程序或任务的地址空间。
段内偏移地址又称为有效地址，也称为逻辑地址。
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什么是段重叠

不同段访问到相同的内存
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什么是平坦模型

平坦模型指的就是一个段，用一个段就能够访问到硬件所支持的所有内存，段的大小可以是地址总线能够到达的范围。

cs、ds这类sreg段寄存器，位宽是多少

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32位CPU有两种工作模式：实模式和保护模式
在实模式下，段寄存器中的值为段基址，是具体的物理地址，内存单元的逻辑地址仍为“段基址：段内偏移量”。在保护模式下，装入段寄存器的是段选择子。
sreg不管是工作在16位的实模式还是32位的保护模式，都是16位宽。

什么是工程，什么是协议

软件中的工程是指开发一套软件所需的全部文件，包括配置环境。
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协议是一种大家共同遵守的规约，主要用来实现通信、共享、协作，给大家统一一种接口、一组数据调用或者分析的约定。

为什么Linux系统下的应用程序不能在Windows系统下运行

首先，格式不同。Linux下的可执行程序格式是elf，Windows下的可执行文件是PE格式。
其次，系统API不同，即应用程序编程接口。Linux中的API称为系统调用，是通过int 0x80这个软中断实现的。而Windows中的API是存放在动态链接库文件中，也就是DLL。

局部变量和函数参数为什么要放在栈中

堆是程序运行过程中用于动态内存分配的内存空间，是操作系统为每个用户进程规划的，属于软件范畴。
栈是处理器运行必备的内存空间，是硬件必须的，但又是有软件（操作系统）提供的。堆栈指的是栈。
局部变量只有自己在用，没必要放在数据段中浪费空间，将其放在自己的栈中可以随时清理，真正体现了局部的意义。

函数参数之所以会放到栈中，第一也是其局部性导致的，第二是因为函数是在程序执行过程中调用的，属于动态的调用，编译时无法预测会何时调用及被调用的次数，函数的参数及返回值都需要内存来存储，如果是递归调用的话，参数及返回值需要的内存空间也就不确定了，这取决于递归的次数。这些运行中产生的中间数据也没有必要放在数据段中。