计算机基础学习笔记

1、计算机关键组件：

（1）存储程序计算机：冯诺依曼体系，CPU、总线和内存

（2）函数调用堆栈：堆栈是C语言运行时一个必需的记录调用路径和参数的空间，保证函数的按顺序执行

（3）中断机制：支持系统同时跑多个程序，每个程序都有自己的执行流，当1个中断信号发生时，CPU将当前程序的运行信息压到CPU堆栈中，并将EIP指向另一个程序的执行入口。

2、操作系统关键功能：进程管理、内存管理、文件系统

（1）进程（进程相关数据结构包括进程ID、进程状态、内核堆栈、任务入口、把进程用链表链起来）上下文切换：EIP和ESP堆栈指针（栈顶地址ss:esp、状态字eflgs、cs：eip值）的值调整

（2）中断上下文切换：与进程上下文类似，进入中断程序前，保存前一程序的寄存器数据（栈顶地址ss:esp、状态字eflgs、cs：eip值）到内核堆栈，加载中断程序的入口（cs：eip、ss:eip）（中断服务中可能包含进程调度，参考进程上下文切换），退出中断程序后，恢复保存寄存器的数据

3、linux系统调度

（1）区分用户态和内核态

1）CPU有几种不同的指令执行级别，在高执行级别下，代码可以执行特权指令，访问任意的物理地址，这种CPU执行级别就对应着内核态，相应的低级别执行状态，代码的掌控范围会受到限制，只能在对应级别允许的范围内活动。（所有程序员写的代码都允许使用特权指令的话，容易崩溃。内核代码由更专业的程序员写的，更稳定，不易崩溃）x86 CPU 有0-3级别，linux使用0级表示内核态，3级使用用户态。

2）cs寄存器的最低两位表明当前代码的特权等级，cpu读取每条指令根据cs（代码段选择寄存器）：eip（偏移量寄存器）这两个寄存器。一般来说，linux地址空间有4G进程地址空间，0xC0000000以上的只能在内核态访问，0x00000000-0xbfffffff之间的只能在用户态访问。

3）中断时从用户态进入内核态的主要方式：用户态执行过程中，来了1个硬件中断或者系统调用，需要进入内核台态执行相关的处理

（2）系统调度：操作系统为用户态进程与硬件交互提供了一组接口，通过软中断向内核发起请求，可把用户从底层的硬件编程中解放出来，极大的提高了系统的安全性（防止系统崩溃），使用户程序具有可移植性（与硬件解耦）

（4）linux进程

1）进程状态机

1）获取CPU的调度权，为TASK-RUNNING运行，否则处于TASK-RUNNING就绪

2）PID进程标识

3）所有进程链表struct list_head tasks:进程的双向循环链表，快速查询使用哈希

4)父子关系描述

5）linux为每个进程分配1格8KB大小的内存区域，用于存放该进程两个不同的数据结构，Thread_info（记录执行到那个位置了，对应CPU的IP和SP）和进程的内核堆栈

6）CPU相关的数据

7)文件系统和文件描述符

8）内存管理-进程的内存空间

2）进程的创建过程（使用fork系统调用）

1）fork的子进程从哪开始执行：从fork return处

2）可执行程序：shell调用execve将命令行参数和环境变量传递给可执行环境的main函数，调用fork通过子进程，传递进去

如：int man（int argc， char *argv[]，char *env[]）

3)静态链接程序直接传入变量或者环境变量即可，动态链接程序分为装载时动态链接或运行时动态链接，动态链接库都是EFK格式的文件，

4）进程的调度：调度策略是一组调度规则，决定什么时候以什么样的方式选择1个新进城运行；schedule（）函数进程调度的时机包括：时钟中断等，用户态进程无法主动调度，只能等中断，内核线程可以主动调度

（5）linux系统运行的一般过程：每次进程切换都会经过用户态X-内核态-用户态Y

用户态进程X切换到用户态进程Y：

1）正在运行X

2）发生中断，中断上下文切换，保存现场

3）执行中断服务，调用schedule（），并完成进程下文Y的切换

4）恢复中断现场

5）执行用户态进程Y

特殊情况:

1）内核线程VS用户态进程：内核线程调度时，没有中断上下文切换

2）fork创建子进程，子进程的运行起点为return from fork

（4）linux系统分层结构

             shell：终端解释程序

           参考：https://www.bilibili.com/video/BV13t411n7E9?p=56&spm_id_from=pageDriver

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