В этой теме есть отличные ответы, но я просто хотел добавить свой, поскольку у меня тоже когда-то был тот же вопрос. (Также я хотел бы отметить, что книга, предложенная Joe-Internet, является отличным ресурсом.)
Сначала вопрос о том, как работает компьютер? Вот как: ввод -> вычисление -> вывод.
Сначала рассмотрим часть «Compute». Мы рассмотрим, как работает ввод и вывод.
Компьютер по существу состоит из процессора (или процессора) и некоторой памяти (или оперативной памяти). Память представляет собой набор местоположений, в каждом из которых может храниться конечное число битов, и на каждое такое местоположение в памяти может быть указано число, это называется адресом ячейки памяти. Процессор представляет собой гаджет, который может извлекать данные из памяти, выполнить некоторые операции на основе данных и записать некоторые данные обратно в память. Как процессор определяет, что читать и что делать после чтения данных из памяти?
Чтобы ответить на это, нам нужно понять структуру процессора. Ниже приведен довольно простой вид. Процессор по существу состоит из двух частей. Одним из них является набор областей памяти, встроенных в процессор, которые служат его рабочей памятью. Они называются «регистрами». Второй представляет собой набор электронных механизмов, созданных для выполнения определенных операций с использованием данных в регистрах. Есть два специальных регистра, называемых «счетчик программ» или ПК и «регистр команд» или ир. Процессор считает, что память разделена на три части. Первая часть - это «память программ», в которой хранится исполняемая компьютерная программа. Второе - это «память данных». Третий используется для каких-то особых целей, об этом мы поговорим позже. Счетчик программ содержит местоположение следующей инструкции для чтения из памяти программ. Счетчик команд содержит номер, который относится к текущей выполняемой операции. Каждая операция, которую может выполнить процессор, указывается номером, который называется кодом операции операции. Принцип работы компьютера заключается в том, что он считывает ячейку памяти, на которую ссылается счетчик программ, в регистр команд (и увеличивает счетчик программ так, чтобы он указывал на ячейку памяти следующей инструкции). Затем он читает регистр команд и выполняет требуемую операцию. Например, инструкция может состоять в том, чтобы считывать определенную ячейку памяти в регистр, или записывать в какой-либо регистр, или выполнять некоторую операцию, используя значения двух регистров, и записывать вывод в третий регистр. Счетчик команд содержит номер, который относится к текущей выполняемой операции. Каждая операция, которую может выполнить процессор, указывается номером, который называется кодом операции операции. Принцип работы компьютера заключается в том, что он считывает ячейку памяти, на которую ссылается счетчик программ, в регистр команд (и увеличивает счетчик программ так, чтобы он указывал на ячейку памяти следующей инструкции). Затем он читает регистр команд и выполняет требуемую операцию. Например, инструкция может состоять в том, чтобы считывать определенную ячейку памяти в регистр, или записывать в какой-либо регистр, или выполнять некоторую операцию, используя значения двух регистров, и записывать вывод в третий регистр. Счетчик команд содержит номер, который относится к текущей выполняемой операции. Каждая операция, которую может выполнить процессор, указывается номером, который называется кодом операции операции. Принцип работы компьютера заключается в том, что он считывает ячейку памяти, на которую ссылается счетчик программ, в регистр команд (и увеличивает счетчик программ так, чтобы он указывал на ячейку памяти следующей инструкции). Затем он читает регистр команд и выполняет требуемую операцию. Например, инструкция может состоять в том, чтобы считывать определенную ячейку памяти в регистр, или записывать в какой-либо регистр, или выполнять некоторую операцию, используя значения двух регистров, и записывать вывод в третий регистр. Каждая операция, которую может выполнить процессор, указывается номером, который называется кодом операции операции. Принцип работы компьютера заключается в том, что он считывает ячейку памяти, на которую ссылается счетчик программ, в регистр команд (и увеличивает счетчик программ так, чтобы он указывал на ячейку памяти следующей инструкции). Затем он читает регистр команд и выполняет требуемую операцию. Например, инструкция может состоять в том, чтобы считывать определенную ячейку памяти в регистр, или записывать в какой-либо регистр, или выполнять некоторую операцию, используя значения двух регистров, и записывать вывод в третий регистр. Каждая операция, которую может выполнить процессор, указывается номером, который называется кодом операции операции. Принцип работы компьютера заключается в том, что он считывает ячейку памяти, на которую ссылается счетчик программ, в регистр команд (и увеличивает счетчик программ так, чтобы он указывал на ячейку памяти следующей инструкции). Затем он читает регистр команд и выполняет требуемую операцию. Например, инструкция может состоять в том, чтобы считывать определенную ячейку памяти в регистр, или записывать в какой-либо регистр, или выполнять некоторую операцию, используя значения двух регистров, и записывать вывод в третий регистр. Принцип работы компьютера заключается в том, что он считывает ячейку памяти, на которую ссылается счетчик программ, в регистр команд (и увеличивает счетчик программ так, чтобы он указывал на ячейку памяти следующей инструкции). Затем он читает регистр команд и выполняет требуемую операцию. Например, инструкция может состоять в том, чтобы считывать определенную ячейку памяти в регистр, или записывать в какой-либо регистр, или выполнять некоторую операцию, используя значения двух регистров, и записывать вывод в третий регистр. Принцип работы компьютера заключается в том, что он считывает ячейку памяти, на которую ссылается счетчик программ, в регистр команд (и увеличивает счетчик программ так, чтобы он указывал на ячейку памяти следующей инструкции). Затем он читает регистр команд и выполняет требуемую операцию. Например, инструкция может состоять в том, чтобы считывать определенную ячейку памяти в регистр, или записывать в какой-либо регистр, или выполнять некоторую операцию, используя значения двух регистров, и записывать вывод в третий регистр.
Теперь, как компьютер выполняет ввод / вывод? Я приведу очень упрощенный ответ. См. Http://en.wikipedia.org/wiki/Input/output и http://en.wikipedia.org/wiki/Interrupt, для большего. Он использует две вещи, третью часть памяти и нечто, называемое прерываниями. Каждое устройство, подключенное к компьютеру, должно иметь возможность обмениваться данными с процессором. Это делается с использованием третьей части памяти, упомянутой ранее. Процессор выделяет часть памяти каждому устройству, и устройство и процессор обмениваются данными через этот фрагмент памяти. Но как процессор узнает, какое местоположение относится к какому устройству и когда ему нужно обмениваться данными? Это то место, где приходят прерывания. Прерывание - это, по сути, сигнал процессору приостановить текущее состояние и сохранить все свои регистры в известном месте, а затем начать делать что-то еще. Там много прерываний, каждое из которых идентифицируется уникальным номером. Для каждого прерывания существует специальная программа, связанная с ним. Когда происходит прерывание, процессор выполняет программу, соответствующую прерыванию. Теперь, в зависимости от BIOS и того, как аппаратные устройства подключены к материнской плате компьютера, каждое устройство получает уникальное прерывание и часть памяти. При загрузке операционной системы с помощью биоса определяется прерывание и место в памяти каждого устройства, а также настраиваются специальные программы для прерывания для правильной обработки устройств. Поэтому, когда устройству нужны какие-то данные или они хотят отправить какие-то данные, оно сигнализирует о прерывании. Процессор приостанавливает то, что он делает, обрабатывает прерывание и затем возвращается к тому, что он делает. Существует много видов прерываний, например, для жесткого диска, клавиатуры и т. Д. Важным является системный таймер, который вызывает прерывания через равные промежутки времени. Также есть коды операций, которые могут вызывать прерывания, называемые программными прерываниями.
Теперь мы можем почти понять, как работает операционная система. Когда он загружается, ОС устанавливает прерывание по таймеру, чтобы оно давало контроль над ОС через регулярные промежутки времени. Он также настраивает другие прерывания для обработки других устройств и т. Д. Теперь, когда на компьютере запущена куча программ, и происходит прерывание по таймеру, ОС получает контроль и выполняет важные задачи, такие как управление процессами, управление памятью и т. Д. Также ОС обычно предоставляет абстрактный способ доступа программ к аппаратным устройствам, а не прямой доступ к ним. Когда программа хочет получить доступ к устройству, она вызывает некоторый код, предоставленный операционной системой, который затем обращается к устройству. В них много теории, которая касается параллелизма, потоков, блокировок, управления памятью и т. Д.
Теперь теоретически можно написать программу напрямую, используя коды операций. Это то, что называется машинным кодом. Это явно очень больно. Теперь язык ассемблера для процессора - не что иное, как мнемоника для этих кодов операций, которая облегчает написание программ. Простой ассемблер - это программа, которая берет программу, написанную на ассемблере, и заменяет мнемонику соответствующими кодами операций.
Как можно разрабатывать процессор и язык ассемблера? Чтобы знать, что вы должны прочитать некоторые книги по компьютерной архитектуре. (см. главы 1-7 книги, на которую ссылается joe-internet). Это включает в себя изучение булевой алгебры, как создавать простые комбинаторные схемы для сложения, умножения и т. Д., Как строить память и последовательные схемы, как создавать микропроцессор и так далее.
Теперь, как писать компьютерные языки. Можно начать с написания простого ассемблера в машинном коде. Затем используйте этот ассемблер, чтобы написать компилятор для простого подмножества C. Затем используйте это подмножество C, чтобы написать более полную версию C. Наконец, используйте C, чтобы написать более сложный язык, такой как python или C ++. Конечно, чтобы написать язык, вы должны сначала спроектировать его (так же, как и процессор). Снова посмотрите на некоторые учебники по этому вопросу.
И как можно написать ОС. Сначала вы нацелены на платформу, такую как x86. Затем вы выясните, как он загружается и когда будет запущен ваш ОС. Типичный компьютер загружается таким образом. Он запускается, и BIOS выполняет некоторые тесты. Затем биос читает первый сектор жесткого диска и загружает содержимое в определенное место в памяти. Затем он устанавливает процессор, чтобы начать выполнение этих загруженных данных. Это точка, которую вы вызываете. Типичная операционная система в этот момент загружает остальную часть памяти. Затем он инициализирует устройства и настраивает другие функции, и, наконец, он приветствует вас с помощью экрана входа.
Таким образом, чтобы написать ОС, вы должны написать «загрузчик». Затем вы должны написать код для обработки прерываний и устройств. Затем вы должны написать весь код для управления процессами, управления устройствами и т. Д. Затем вы должны написать API, который позволяет программам, запущенным в вашей ОС, получать доступ к устройствам и другим ресурсам. И, наконец, вы должны написать код, который читает программу с диска, устанавливает ее как процесс и начинает выполнять ее.
Конечно, мой ответ явно упрощен и, вероятно, мало практичен. В свою защиту я теперь аспирант по теории, поэтому я забыл многие из этих вещей. Но вы можете погуглить многие из этих вещей и узнать больше.
lex,yaccиbison.