用人话讲内核1 - 开始跟硬件交谈

打算写一些操作系统的内容，不谈实现细节，主要谈概念和自己多年来学习的理解。供大家参考讨论。有误之处，多多指教。

要回答“操作系统是什么”的问题，可以先看看“为什么需要操作系统”，想想“没有操作系统世界会变成什么样”。所以让我们回到上古时代。。。。

现在有一台计算机，于是我们有了CPU，内存，硬盘，网卡，以及屏幕、键盘、鼠标等等各种设备。

我们想要使用这台计算机，完成一些功能，简单的比如屏幕上打出“hello world”，复杂的比如运行一个游戏，打开浏览器上网。但我们现在还在“石器时代”，我们目前只有硬件。那么我们怎么告诉硬件完成一件目标任务呢？我们需要设法跟硬件交流，告诉它我们的想法。所以我们得知道计算机硬件讲什么语言（Q1），怎么使用这门语言跟计算机交流（Q2）,以及怎么把我们的想法转化成计算机听得懂的话（Q3），好让他执行我们让他执行的任务。就像我们有一个菲佣不讲中文，我们要让他买个小苹果，我们就得掌握菲佣讲的外语，然后告诉他买小苹果这件事。他可能不知道苹果是什么，哪里有卖，也不认识路，你就得用他听得懂的话一步一步解释出来。

Q1. 计算机硬件讲什么语言？

整个计算机其实可以想象成一个积木上边放另外一块积木搭起来的，每块个积木都给上面的积木提供了一些“接口”。所谓“接口”，就是把复杂的东西包装成黑盒子，只给你简单的控制按钮。比如给你一台汽车，尽快发动机、传动、制动很复杂，但是给人的“接口”只有方向盘，油门，刹车，档位。简简单单的接口，隐藏了背后复杂了实现细节。

那么计算机硬件的接口是什么？知道了这个接口，我们才知道怎么控制它。这个接口就是CPU的指令集。只要下载了Intel或者AMD或者ARM的CPU文档，就能获得其指令集。这就是计算机硬件讲的语言。当然，他的语言很简单。没有一条指令可以直接完成“在屏幕上打印hello world”这个功能。因为CPU很蠢的。。。他只能做a+b, a*b, 比较a，b等等这种动作。怎么把“打印hello world”这么复杂的任务翻译成a+b，a*b是后文要解决的一个问题。

Q2. 怎么让计算机看到我们想说的话？如何交流？

现在我们知道接口了，还不够。光会英文没用，别人用眼睛看，你就得写；别人用耳朵听，你就得说；别人用手摸，你就得用盲文。所以怎么跟计算机对话？答：CPU只从内存里读指令，所以指令放在内存里！内存一断电就没了，那内存里得指令哪里来？答：硬盘读进来。那第一条CPU指令怎么办？这个问题很关键啊，这是先有鸡还是先有蛋的问题。刚开机，内存一通电一片空白；CPU不支持直接执行硬盘中的指令，只能先把指令（蛋）加载到内存。但是从硬盘加载程序到内存的指令们（鸡）也在硬盘里啊。。。怎么办？于是，人们搞出了叫固件的东西，比如BIOS。其实就相当于一块断电了不会丢数据的内存。这样我们就可以把鸡放在里面了。这样CPU一上电先从BIOS拿指令，BIOS里放上初始化硬件和读硬盘的指令，把硬盘中的指令加载到内存，再让CPU开始执行新加载的指令。鸡生蛋，蛋生鸡。。。这样，我们只要在硬盘的特定位置放上我们想执行的指令，开机后CPU就会再BIOS得引导下执行我们预先放在硬盘里的指令。这个特定位置就是硬盘的MBR（master
boot record）,硬盘的首512字节。里面有分区信息，和重要的引导器（bootloader）代码。至此，我们取得了CPU控制权！技能点get！

Q3.怎么把我们的想法转化成计算机听得懂的话？

在现在的情况下，只要我们在硬盘的正确位置放上正确的指令序列，计算机就会按我们的指令序列运行了！！放在50年前，这也就是人们使用计算机的方法了。要知道内存里放的实际是01序列，所以上古时代，大神们的编程语言是0和1。

好在科技在发展，时代在进步。人们发明了“高级编程语言”和“翻译器”。虽然大家都叫编译器，但编译器的本质就是把一个语言翻译成另一种语言，把人类写的高级编程语言，翻译成机器能看懂的a+b，a*b。注意，这个翻译不是直译，还包含了意思的解释。比如我说买个小苹果！计算机是看不懂“买苹果”的，也不知道哪买。编译器得翻译成，出门左转走500米，左转左转再左转，买小苹果，等等等，事无巨细，都要嘱咐道。因为CPU实在是太傻了。。。那么也许你会想，既然是翻译器，为什么不能把英文翻译成中文？理论上，应该做到这一点。但是由于人类语言变化多端，经常不按常理出牌，说话还经常带有歧义，连人都听不懂，别说程序了。所以，尽管从C到java到python，程序语言越来越靠近人类语言，但语法仍然是很规范的，定义很严格，不能乱写。这才保证了编译器能看懂。看不懂他还老报错不是？！反正你就得按它的写，它看不懂不是它的问题，而是你的问题。。。此处可以说脏话么？

说到哪了？？

恩，现在我们了一门高级编程语言，一个编译器。这样只要我们把编译器放在硬盘的特定位置，CPU通电之后就能执行他。我们就让编译器翻译我们用高级编程语言写的程序，翻译完之后再跳转过去执行。这样，我们就获得了用高级编程语言控制计算机的能力！技能点get！！

好了，Q1-Q3 三个小问题解决了。好歹我们现在可以用高级语言编程计算机了。开发点啥好呢？中古时代的大神们就这样裸上了，哪要什么OS，用什么写什么就放进去跑。比如要解密，就写个解密程序，编译完了运行，然后出结果。要OS干嘛？？

当然，随着科技的进步，人们日益增长的计算需求和日益下降的智商，催生了计算机软件体系结构的一次又一次革新。把大家都用的功能做成一个软件包，供大家共享，省时省力。这是出现OS的原因，也是出现各种各样软件框架，乱七八糟东西的原因。比如hadoop和map reduce的流行就是因为data scientist不知道如何高效对大量机器进行编程，于是擅长做并行编程的人发明了这个很简单好用的东西给大家使用。可以说是大家做自己擅长的事，也可以说大家脑子不都不够用。。。

下一篇，我们来谈谈OS吧。

我随便写些乱七八糟的，主要是觉得OS这东西我自己想了好久才理清楚，也还有很多没理清楚的地方。写出来给刚学习的参考，也可以产生一些讨论。大家有感兴趣的话题也可以说出来，我写写。以后可能会慢慢谈到虚拟化技术，资源管理，等等吧。东西很多，慢慢聊。

作者简介
欧阳马上毕业，匹兹堡大学在读博士生，研究方向操作系统，虚拟化。2013，2014年暑假作为实习生在美国VMware, Palo Alto ESX内核组从事CPU调度研发工作。