操作系统入门系列-MIT6.828（操作系统工程）学习笔记（四）---- C语言与计算机架构(Programming xv6 in C)

系列文章目录

操作系统入门系列-MIT6.S081（操作系统）学习笔记（一）---- 操作系统介绍与接口示例
操作系统入门系列-MIT6.828（操作系统工程）学习笔记（二）----课程实验环境搭建（wsl2+ubuntu+quem+xv6）
操作系统入门系列-MIT6.828（操作系统工程）学习笔记（三）---- xv6初探与实验一(Lab: Xv6 and Unix utilities)
操作系统入门系列-MIT6.828（操作系统工程）学习笔记（四）---- C语言与计算机架构(Programming xv6 in C)

文章目录

• 系列文章目录
• 前言
• 一、计算机中存储模型的软件抽象
• • 1.硬件层次
  • 2.操作系统层次
  • 3.编译器层次
• 二、C语言
• • 1.为什么使用C语言编写操作系统
  • 2.使用C语言容易犯的内存错误
  • 3.如何学习C语言

前言

本节对应的是MIT 6.828课程第二节：Programming xv6 in C
PPT的链接如下：Programming xv6 in C
本文沿着PPT的思路，主要讲解了学习操作系统，所涉及到的计算机底层架构与C语言的相关知识，知识的细节并未涉及，仅仅是在表面提出一些宏观的描述，具体知识细节需要专门学习相关课程。

一、计算机中存储模型的软件抽象

文章中将存储模型的分层结构进行了如下软件抽象：

1.底层是由存储芯片与IO设备组成的物理存储结构，是硬件
2.之后将这些硬件，通过软件抽象统一到一个地址空间中，方便寻址（其中IO设备可能与存储芯片被分别统一到两个地址空间）
3.之后在统一连续的地址空间上划分相应的区域，也就是“段”。其中最核心的涉及就是栈和堆
4.在这些基础上，就有了各种各样的编程语言，更高级的编程语言有了垃圾回收、ARC、智能指针等机制

1.硬件层次

CPU与硬件开发板上的诸多外设交互的载体便是总线，下图均描述总线结构。


需要注意的是，总线并不是简单的一根线或者是几根线，它更多的是一种协议。协议中包含了数据、控制信号、权限等，类似于TCP/IP协议，根据这些内容，总线上的CPU、IO设备、内存，就可以实现有序的数据交互：
具体的知识可以参考博客：
揭秘计算机内部通信：探秘数据、地址与控制信号的奥秘
cpu 是如何工作的

2.操作系统层次

从操作系统的角度看待计算机中的存储模块，那便是一整块的存储空间（IO与内存统一寻址情况）。那么操作系统如何能够拥有这样的“视角”，可以忽略复杂的总线通信和多种多样的外围设备，原因是CPU内部的机制实现了该层抽象。
细节的知识可以参考博客：
CPU 地址空间分配原理分析

CPU可以通过简单的汇编指令读写地址空间的单元，每个单元是8 bits。
有下面几点需要注意：

1.由于考虑到可以通过增加或者减少RAM芯片来增加或者减少实际内存。所以CPU提前抽象出了足够大的地址空间，以便于之后的扩充
2.可以映射到硬件的地址可以被访问；不能映射到硬件的地址无法被访问
3.地址单元有三种权限：读（W）、写（W）、执行（X），这样不管是代码还是数据，都可以统一的存储到存储空间

之后的课程会深入了解该层次，并且讨论page（页）与cache的连续性问题

3.编译器层次

该层次个人理解就是C语言与汇编语言的层次，也可以是编译器的层次。将内存空间分为了多个区域，如下图：

其中，heap是堆空间，用来存放动态分配的内存，如malloc函数分配的内存；stack是栈空间，函数调用后就会进入栈空间，里面存放着属于该函数的局部变量；data是存放全局数据；text是存放代码。

其中栈空间的运行方式可以简单如下图：

二、C语言

C语言具体的语法内容就不在此处赘述，相信各位读者也已经很好的掌握。需要注意的有关C语言的知识点是Undefined behavior。可以参考文章：
C 未定义行为（Undefined behavior）

1.为什么使用C语言编写操作系统

（1）适用于底层编程

1.可以直接操作地址空间，相比于一些语言将地址空间的操作进行了抽象和封装
2.可以轻松地访问各种各样的硬件设备，因为众多硬件设备都对C语言有很好的支持

（2）内核完全控制内存分配

1.可以使用 C 语言直接构建内存分配器
2.没有垃圾回收机制

（3）执行效率高

1.是编译语言，不是解释性语言，不需要解释器，直接以机器指令执行。

2.使用C语言容易犯的内存错误

1.在free（释放）存储空间后使用它
2.重复释放一个存储空间
3.在使用内存时忘记初始化（申请的内存中并不一定是0）
4.对数组空间之外的元素操作（缓存溢出）
5.忘记释放动态分配的内存（内存泄漏）
6.强制转换一个对象到错误的变量类型
7.忘记检查动态分配的内存是否成功
8.使用指向堆栈上位置的指针

3.如何学习C语言

可以参考博客，该博客是美国大学一个教授讲该如何教学生C语言，我们可以从老师的角度来进行C语言的学习，更加的有效
Teaching C
缺点是该博客是英文版，可能后续会进行翻译。