原著: David A Rusling 翻譯: Banyan & FIFA 二章 軟件基礎 程序是執行某個特定任務的計算機指令集合。程序可以用多種程序語言來編寫：從低級計算機語言-匯編語言到高級的、與機器本身無關的語言入C程序語言。操作系統是一個允許用戶運行如電子表格或者字處理軟件等應用程序的特殊程序。本章將介紹程序設計的基本原則，同時給出操作系統設計目標與功能的概述。 2.1 計算機編程語言 2.1.1 匯編語言 那些CPU從主存讀取出來執行的指令對人類來說是根本不可理解的。它們是告訴計算機如何准確動作的機器代碼。在Intel 80486指令中16進制數0x89E5表示將ESP寄存器的內容拷入EBP寄存器。為最早的計算機設計的工具之一就是匯編器，它可以將人們可以理解的源文件匯編成機器代碼。匯編語言需要顯式的操作寄存器和數據，並且與特定處理器相關。比如說Intel X86微處理器的匯編語言與Alpha AXP微處理器的匯編語言決然不同。以下是一段Alpha AXP匯編指令程序： ldr r16, (r15) ; Line 1 ldr r17, 4(r15) ; Line 2 beq r16,r17,100 ; Line 3 str r17, (r15) ; Line 4 100: ; Line 5 第一行語句將寄存器15所指示的地址中的值加載到寄存器16中。接下來將鄰接單元內容加載到寄存器17中。 第三行語句比較寄存器16和寄存器17中的值，如果相等則跳轉到標號100處，否則繼續執行第四行語句：將 寄存器17的內容存入內存中。如果寄存器中值相等則無須保存。匯編級程序一般冗長並且很難編寫，同時還容易出錯。 Linux核心中只有很少一部分是用匯編語言編寫，並且這些都是為了提高效率或者是需要兼容不同的CPU。 2.1.2 C編程語言和編譯器 用匯編語言編寫程序是一件困難且耗時的工作。同時還容易出錯並且程序不可移植：只能在某一特定處理器 家族上運行。而用C語言這樣的與具體機器無關的語言就要好得多。C程序語言允許用它所提供的邏輯算法來 描敘程序同時它提供編譯器工具將C程序轉換成匯編語言並最終產生機器相關代碼。好的編譯器能產生和匯編語言程序相接近的效率。Linux內核中大部分用C語言來編寫，以下是一段C語言片段： if (x != y) x = y ; 它所執行的任務和匯編語言代碼示例中相同。如果變量X的值和變量Y的不相同則將Y的內容賦予X。C代碼被 組織成子程序，單獨執行某一任務。子程序可以返回由C支持的任何數據類型的值。較龐大的程序如Linux 核心由許多單獨的C源代碼模塊組成，每個模塊有其自身的子程序與數據結構。這些C源代碼模塊將相關函數組合起來完成如文件處理等功能。 C支持許多類型的變量，變量是一個通過符號名稱引用的內存位置。在以上的例子中，X和Y都是內存中的位置。程序員並不關心變量放在什麼地方，這些工作由連接程序來完成。有些變量包含不同類型的數據，整數和浮點數，以及指針。 指針是那些包含其他數據內存位置或者地址的變量。假設有變量X，位於內存地址0x80010000處。你可以使用指針變量px來指向X，則px的值為0x80010000。 C語言允許相關變量組合起來形成數據結構，例如： strUCt { int i ; char b ; } my_struct ; 這是一個叫做my_struct的結構，它包含兩個元素，一個是32位的整數i,另外一個是8位的字符b。 2.1.3 連接程序 連接程序是一個將幾個目標模塊和庫過程連接起來形成單一程序的應用。目標模塊是從匯編器或者編譯器中產生的機器代碼，它包含可執行代碼和數據，模塊結合在一起形成程序。例如一個模塊可能包含程序中所有的數據庫函數而另一個主要處理命令行參數。連接程序修改目標模塊之間的引用關系，使得在某一模塊中引用的數據或者子程序的確存在於其他模塊中。Linux核心是由許多目標模塊連接形成的龐大程序。 2.2 操作系統概念 如果沒有軟件，計算機只不過是一堆發熱的電子器件。如果將硬件比做計算機的心髒則軟件就是它的靈魂。操作系統是一組系統程序的集合，它提供給用戶運行應用軟件的功能。操作系統對系統硬件進行抽象，它提供給系統用戶一台虛擬的機器。大多數PC可以運行一種或者多種操作系統，每個操作系統都有不同的外觀。Linux由許多獨立的功能段組成。比如Linux內核，如果沒有庫函數和外殼程序，內核是沒有什麼用的。 為了理解操作系統到底是什麼，思考一下當你敲入一個簡單命令時，系統中發生了什麼： $ ls Mail c images perl docs tcl $ $符號是由用戶登錄外殼(這裡指Bash)提供的提示符。它表示正在等待用戶敲入一些命令。敲入ls命令，首先鍵盤驅動程序識別出敲入的內容。然後鍵盤驅動將它們傳遞給外殼程序，由外殼程序來負責查找同名的可執行程序(ls)。 如果在/bin/ls目錄中找到了ls，則調用核心服務將ls的可執行映象讀入虛擬內存並開始執行。ls調用核心的文件子系統來尋找那些文件是可用的。文件系統使用緩沖過的文件系統信息，或者調用磁盤設備驅動從磁盤上讀取信息。當然ls還可能引起網絡驅動程序和遠程機器來交換信息以找出關於系統要訪問的遠程文件系統信息(文件系統可以通過網絡文件系統或者NFS進行遠程安裝)。當得到這些信息後，ls將這些信息通過調用視頻驅動寫到顯示器屏幕上。 以上這些聽起來十分復雜。這個非常簡單命令的處理過程告訴我們操作系統是一組協同工作的函數的集合，它們給所有的用戶對系統有一致的印象。 2.2.1 內存管理 由於資源的有限，比如內存，操作系統處理事務的過程看起來十分冗長。操作系統的一個基本功能就是使一個只有少量物理內存的系統工作起來象有多得多的內存一樣。這個大內存叫為虛擬內存。其思想就是欺騙系統中運行的軟件，讓它們認為有大量內存可用。系統將內存劃分成易於處理的頁面，在系統運行時將這些頁面交換到硬盤上去。 由於有另外一個技巧:多處理的存在，這些軟件更加感覺不到系統中真實內存的大小。 2.2.2 進程 進程可以認為是處於執行狀態的程序，每個進程有一個特定的程序實體。觀察以下Linux系統中的進程，你會發現有比你想象的要多得多的進程存在。比如，在我的系統中敲入ps命令，將得到以下結果： $ ps PID TTY STAT TIME COMMAND 158 pRe 1 0:00 -bash 174 pRe 1 0:00 sh /usr/X11R6/bin/startx 175 pRe 1 0:00 xinit /usr/X11R6/lib/X11/xinit/xinitrc -- 178 pRe 1 N 0:00 bowman 182 pRe 1 N 0:01 rxvt -geometry 120x35 -fg white -bg black 184 pRe 1
