操作系统的抽象和裸机？

Question

如果我有一个 CPU 并且我编写了一个程序并且我想存储一个值（将一个值从寄存器复制到内存 (RAM)），那么我会在 CPU 的指令集中使用一个指令（假设这是x86 CPU) 这样做？

第二个问题，x86 指令集中的指令是在 RAM 中名为MOV 的特定地址设置值吗？

第三个问题。 BIOS、UEFI、内核和引导加载程序都使用 x86 指令集中的 MOV 指令来执行此操作（将值（如 10）分配给 RAM 中的特定地址）对吗？

第四个问题。在操作系统（带有内核（如Linux））环境中运行的程序在请求时不使用MOV 指令来分配一块内存，而是要求内核代表它们来分配？

第五题。我在第四个问题中描述的是否称为系统调用（当操作系统环境中运行的程序要求内核代表它做某事（在这种情况下给它一些内存））？

Answer 1

0.我认为您对汇编语言的了解还不够，甚至无法提出一个真正填补您所缺少的任何空白的合理问题，但我已尝试按原样回答您的问题。我真的不确定你真正想知道什么。

也许可以查看 Matt Godbolt 的 CppCon2017 演讲：“What Has My Compiler Done for Me Lately? Unbolting the Compiler's Lid” 了解 x86 asm 的初学者介绍。

但我认为您缺少更多关于堆栈/堆/静态存储位置的概念。见Stack, Static, and Heap in C++

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1. 是的

2. 是的，最常见的 x86 存储指令是 mov。例如mov dword [rdi], 10。或者在指令中也使用绝对地址编码，mov dword [my_static_32_bit_location], 10

3. 这很奇怪。您可以编写没有任何静态数据的引导加载程序。您所有的 mov-immediate 指令都将使用寄存器目标。

4. mov 永远不会分配或保留内存。在操作系统下运行的程序可以有静态数据。例如考虑这个 C 函数：

   unsigned LCG_rand() {
       static unsigned seed = 0x1234;
       seed = seed * 0x5677 + 0x7723;  // Linear Congruential Generator with badly chosen coefficients I just made up
       return seed;                    // mod type-width is implicit
   }
   

   针对 x86-64 Linux 的 gcc7.2 将其编译为 (Godbolt compiler explorer):

   LCG_rand:
       imul    eax, DWORD PTR seed.2294[rip], 22135    # eax = load(seed) * 22135
       add     eax, 30499                              # eax += 30499
       mov     DWORD PTR seed.2294[rip], eax           # store the old value back to memory.
       ret
   
   .data            # static read-write data goes in the .data section
   .align 4
   seed.2294:       # label which the compiler uses to refer to it.
       .long   4660
   

   .data 部分保存具有非零初始值设定项的静态读写数据。初始值按字面意思存储在可执行文件中。它链接到可执行文件的数据段。当你运行它时，可执行文件的数据段被映射到进程的内存空间中，具有读/写权限，即写时复制（私有）。 （因此，将数据写入内存不会更新磁盘上的数据，就像您将 mmap 与 MAP_SHARED 一起使用时那样。）

   这些地址是链接时常量，所以程序可以直接使用它。 （在上面的代码中，该函数使用PC相对寻址，但也支持绝对寻址。You may have to use -no-pie on some gcc setups, though.）

   完全相同的机器代码可以在裸机环境中正常工作，即使禁用分页，所以您使用的地址是物理地址，而不是允许每个进程的通常虚拟地址有自己的记忆观。 （错误，但您可能必须处于 16 位或 32 位模式，我忘记了 x86-64 长模式是否甚至可以在禁用分页的情况下工作。）

5. 是的。有关用户空间进程如何进行系统调用的详细信息，请参阅What are the calling conventions for UNIX & Linux system calls on i386 and x86-64。