裸金属 Bare Metal

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裸金属听起来很酷！在计算机科学中，裸金属 (bare metal) 或裸机 (bare machine) 是直接在逻辑硬件上执行指令而无需操作系统的计算机。现代操作系统走过了不同的阶段，从最初级到现今复杂、高敏捷并提供多种服务的系统。在可编程计算机开发出来到操作系统发展之前的这段时间，一系列指令直接在计算机硬件上通过机器语言执行，而不需要经过系统软件层。这种方式工作的设备就是现代操作系统的前身裸机。现如今，它通常在嵌入式系统或需要低时滞的情景下出现，而常规的软件则运行在操作系统上。

优点

对于一个给定的应用，大部分情况下，在裸金属上运行会更快，使用更少的内存，因此更加节能。这是因为操作系统像其他程序一样，运行时需要执行时间、内存空间。比如可以在裸金属上直接访问输入输出等硬件资源，而在一个操作系统中，则需要一系列的子过程调用 (比如 Linux 中的系统调用)，这会消耗运行时间与运行内存。

缺点

对于一个给定的应用，让它能够在裸金属上成功运行，实现的工作量与复杂度会更高。因为操作系统提供的服务需要重新实现，这些服务可能是:

• 系统启动
• 内存管理
• 中断处理
• 任务调度
• 外设管理
• 错误管理

调试一个裸金属程序是困难的，因为:

• 没有软件错误提示或故障管理，除非它们被实现
• 没有标准输出，除非它被实现
• 程序执行的位置与程序写入的位置是不同的，因此目标硬件可能是一个仿真器/模拟器或一个外部设备。这要求必须设置一个方式来将裸金属程序载入到目标，让程序开始执行，并访问目标资源

裸金属程序开发通常使用贴近硬件的语言，比如 Rust、C++、C 汇编语言甚至是少量的机器码。这就意味着裸金属程序可移植性是不高的。

例子

早期计算机

早期计算机，比如 PDP-11，允许开发者以机器码载入程序到 RAM。程序运行的结果可以使用光展示，或写入到磁带。

嵌入式系统

裸金属程序在嵌入式系统中还是经常可以看到的，微控制器或微处理器直接启动去执行一个大型简单的软件，而无需载入操作系统。这种嵌入式软件在结构上可能有很大不同，最简单的形式可能只是一个 main 死循环，调用子程序来对输入进行响应，执行动作，写输出。

发展

对裸金属的使用为操作系统的发展铺下道路。比如，对下面内容的需求:

• 输入设备来便利地输入代码或数据
  • 输入设备，比如键盘被创建

比如，载入 PDP-11 的程序是通过使用前面板的拨码开关实现的。键盘相较于这种输入方式，显然是极为先进的。显然，它能够更快速键入代码或数据。

• 输出设备，比如显示器
• 快速、廉价的辅助存储设备来存储程序到非易失存储设备
• 高级开发语言，以及将这种高级语言转换成对应机器码的转换机制
• 链接器用于连接库模块，这种库可以是由系统提供，也可以由用户自己实现
• 将可执行内容从辅助存储设备载入到 RAM 中的一种载入机制
• 合适的 I/O 设备