Glossário: hardware e sistemas operacionais

Termos que aparecem nos capítulos, explicados para quem programa mas nunca trabalhou “abaixo” do sistema operacional. Os termos de Rust estão em rust-basico.md.

Bits, bytes e hexadecimal (revisão rápida)

Quase tudo em OSDev é descrito em hexadecimal (base 16, prefixo 0x), porque cada dígito hexa corresponde a exatamente 4 bits:

0x8E  =  1000 1110  (binário)  =  142 (decimal)
   8      E

Isso deixa fácil ler “quais bits estão ligados” num número. Os bits são numerados da direita para a esquerda, começando em 0:

bit:   7 6 5 4 3 2 1 0
0x8E:  1 0 0 0 1 1 1 0     → bits 7, 3, 2 e 1 ligados

Operações de bits usadas no código:

Tamanhos: KiB = 1024 bytes, MiB = 1024 KiB, GiB, TiB… (o “i” indica potência de 2, para diferenciar de KB = 1000).

A CPU por dentro

Registrador

Uma “variável” dentro da própria CPU, muito mais rápida que a memória. Em x86-64 há 16 registradores de uso geral de 64 bits (RAX, RBX, RCX, RDX, RSI, RDI, RSP, RBP, R8–R15) e vários especiais. Partes menores têm outros nomes: EAX = 32 bits de baixo do RAX, AX = 16 bits, AL = 8 bits.

RIP (instruction pointer)

Registrador com o endereço da próxima instrução a executar. Quando um erro mostra “RIP=0x608c827”, é ali que o código estava.

RSP (stack pointer)

Endereço do topo da pilha atual.

RFLAGS

Registrador de “bandeiras”: bits que indicam resultado da última conta (zero? negativo? estouro?) e estados da CPU. O bit IF (interrupt flag) liga/desliga interrupções de hardware.

Registradores de controle (CR0, CR2, CR3, CR4)

Configuram o modo de operação da CPU. Exemplo: o CR2 guarda o endereço que causou o último page fault; o CR3 aponta para as tabelas de página.

Registradores de segmento (CS, DS, SS, ES, FS, GS)

Relíquias da arquitetura de 16/32 bits. Em 64 bits servem quase só para indicar o nível de privilégio (CS) e alguns usos especiais (FS/GS). Ver capítulo 03.

Instrução privilegiada

Instrução que só o kernel (anel 0) pode executar: cli, sti, hlt, lgdt, lidt, in, out… Se um programa comum tentar, a CPU gera uma exceção.

A pilha (stack)

Região de memória onde ficam variáveis locais, parâmetros e endereços de retorno das funções. É a mesma pilha que aparece no stack trace de um erro em Java/Python.

Em x86 a pilha cresce para baixo: cada push diminui o RSP e grava no novo endereço; cada pop lê e aumenta o RSP. Por isso, ao reservar uma pilha de 20 KiB entre os endereços A e A + 20480, informamos à CPU o topo A + 20480, e ela vai descendo a partir dali.

Se uma recursão infinita consumir a pilha inteira, acontece o stack overflow, que num kernel pode virar um double fault (capítulo 04).

Memória

Endereço físico

Posição real de um byte nos chips de RAM (ou num dispositivo).

Endereço virtual

O endereço que o programa usa. A CPU traduz endereço virtual para físico usando as tabelas de página, configuradas pelo kernel. Cada programa pode ter sua própria tradução, por isso dois programas podem usar o mesmo endereço virtual sem se enxergarem. (Capítulo 7 do livro.)

Página / quadro (page / frame)

A memória é gerenciada em blocos de 4 KiB. “Página” é o bloco virtual; “quadro” é o bloco físico correspondente.

Tabelas de página (PML4, PDPT, PD, PT)

A árvore de 4 níveis que a CPU percorre para traduzir um endereço virtual. Cada tabela ocupa um quadro de 4 KiB e tem 512 entradas (doc 06).

CR3

Registrador que guarda o endereço físico da tabela do nível mais alto (PML4). Trocar o CR3 troca o espaço de endereços inteiro.

Página grande (huge page)

Página de 2 MiB ou 1 GiB, que interrompe a caminhada pelas tabelas mais cedo. Economiza tabelas e entradas de TLB.

TLB (Translation Lookaside Buffer)

Cache da CPU com traduções recentes de endereços. Depois de alterar uma entrada de tabela, o kernel precisa invalidá-la (invlpg), senão a CPU pode continuar usando a tradução antiga.

Mapeamento com deslocamento (offset mapping, direct map)

Toda a RAM física mapeada a partir de um endereço virtual fixo: o físico F fica no virtual deslocamento + F. No SiliconOS, a partir de 0xFFFF_8000_0000_0000.

Kernel na metade alta (higher-half kernel)

Kernel que roda nos endereços virtuais altos, deixando a metade baixa para os programas comuns.

NX (no-execute)

Bit da entrada de página que proíbe executar código naquela página.

WP (write protect, bit 16 de CR0)

Quando ligado, até o kernel recebe page fault ao escrever numa página somente leitura.

Page fault

Exceção gerada quando a CPU tenta traduzir um endereço virtual e não encontra a página (ou ela não tem permissão para o acesso).

Mapa de memória

Lista, fornecida pelo firmware, de quais regiões da RAM estão livres, quais são do firmware, quais são de dispositivos etc.

Mapeamento identidade (identity mapping)

Configuração da paginação em que o endereço virtual X aponta para o endereço físico X. O UEFI entrega a máquina assim, e por isso, hoje, um endereço físico pode ser usado diretamente como ponteiro.

Alocador de quadros

Parte do kernel que entrega quadros físicos livres de 4 KiB a quem pede e os recebe de volta (doc 05).

Bitmap

Estrutura em que cada bit representa um item. No alocador de quadros, um bit por quadro: 1 = ocupado, 0 = livre.

Janela PCI (PCI hole)

Faixa de endereços físicos logo abaixo de 4 GiB reservada para dispositivos (placa de vídeo, controladores). A RAM que ficaria ali é remapeada para cima de 4 GiB.

Memória baixa

O primeiro megabyte de endereços, herança do PC original (até 640 KiB de RAM, depois vídeo e ROMs). Tem usos especiais, como ligar as outras CPUs.

MMIO (memory-mapped I/O)

Dispositivo que aparece como se fosse memória: escrever num certo endereço envia dados ao dispositivo. O framebuffer de vídeo é um exemplo.

Porta de E/S (I/O port)

Forma mais antiga de falar com dispositivos: um espaço separado de 65 536 “endereços” acessados pelas instruções in e out. A serial e o teclado PS/2 usam portas.

Software de baixo nível

Firmware

Programa gravado num chip da placa-mãe, que roda ao ligar o computador. Inicializa o hardware e carrega o sistema operacional.

BIOS

Firmware antigo (desde 1981). Entrega a CPU em modo de 16 bits e carrega 512 bytes do disco.

UEFI

Firmware moderno. Entrega a CPU em 64 bits, lê arquivos de partições FAT e oferece serviços (vídeo, teclado, memória) até o SO dispensá-los.

OVMF

Implementação de UEFI de código aberto que o QEMU usa.

ESP (EFI System Partition)

A partição FAT onde o UEFI procura EFI/BOOT/BOOTX64.EFI. No SiliconOS é a pasta esp/.

Bootloader

Programa que o firmware executa e que carrega o kernel. No SiliconOS, o próprio kernel faz esse papel.

Kernel

O núcleo do sistema operacional: o único código que roda com privilégio total.

Bare-metal

“Direto no metal”: código rodando sem nenhum sistema operacional por baixo.

QEMU

Emulador de PC. Roda o SiliconOS numa janela e reinicia em segundos.

Privilégio e proteção

Anéis (rings)

Níveis de privilégio da CPU x86. Anel 0 = kernel (pode tudo); anel 3 = programas comuns (restritos). Os anéis 1 e 2 quase não são usados.

Modo usuário / modo kernel

O mesmo que anel 3 / anel 0.

Chamada de sistema (syscall)

Quando um programa pede algo ao kernel (abrir arquivo, alocar memória), ele executa uma instrução especial que passa a CPU para o anel 0 de forma controlada.

Interrupções e exceções

Interrupção

Sinal que faz a CPU parar o que está fazendo, executar uma rotina (tratador ou handler) e depois voltar. Pode vir do hardware (tecla pressionada, timer) ou do software (instrução int).

Exceção

Interrupção gerada pela própria CPU porque a instrução atual tem um problema (divisão por zero, acesso inválido…).

Vetor

Número de 0 a 255 que identifica cada interrupção/exceção.

IDT

Tabela que diz qual tratador atende cada vetor (capítulo 04).

Double fault / triple fault

Double fault = falha durante o tratamento de outra falha. Triple fault = falha durante o tratamento do double fault; a CPU desiste e reinicia o computador.

cli / sti

Desligam / ligam as interrupções de hardware (o bit IF).

hlt

Faz a CPU dormir até a próxima interrupção.

Tabelas da CPU

GDT (Global Descriptor Table)

Tabela de segmentos. Em 64 bits define principalmente os níveis de privilégio (capítulo 03).

Descritor

Uma entrada de 8 (ou 16) bytes numa dessas tabelas.

Seletor

Número que aponta para um descritor da GDT (índice × 8 + bits de privilégio). É o que fica guardado em CS, DS, SS.

TSS (Task State Segment)

Estrutura que, em 64 bits, guarda principalmente endereços de pilhas a usar em situações especiais (capítulo 03).

IST (Interrupt Stack Table)

As 7 pilhas de emergência da TSS.