Linux程序设计：操作系统概论及Linux系统基本概念

目录

计算机的基本组成

计算机部件:顶层视图

指令周期

取指令和执行指令

理想计算机的特征

程序执行的例子

操作系统的概念

操作系统的目标

计算机系统的层次视图

​操作系统提供的服务

操作系统的主要特性、发展及特性

Linux操作系统的基本构成

内核(kernel)

查看内核源码

Linux操作系统的基本概念

启动流程

BootLoader(uboot)

init进程

内存管理

虚拟内存

段页式内存管理

系统调用

Linux进程的运行状态

UNIX标准

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计算机的基本组成

处理器(processor)	-
主存储器(main memory)	易失性的 Real memory OR primary memory
输入输出模块(I/O modules)	二级存储设备 通信设备 终端（人机交互设备）
系统总线(system bus)	为处理器，主存，和输入/输出模块间提供通讯的设施

计算机部件:顶层视图

存储地址寄存器(MAR)	确定下一次读写的存储器地址
存储缓冲寄存器(MBR)	写入存储器的数据 从存储器中读出的数据
I/O地址寄存器(I/O AR)	确定一个特定的输入/输出设备
I/O 缓冲寄存器(I/O BR)	缓存输入/输出设备与处理 器间的交换数据
程序计数器(PC)	包含将取指令的地址
指令寄存器(IR)	包含最近取的指令内容

指令周期

• 处理器执行的程序由一组指令组成

• 一个单一的指令执行称为一个指令周期

• 一个指令的执行需要两个步骤

• 处理器从存储器读一条指令

  • fetch

• 处理器执行指令

  • excute

取指令和执行指令

取指令	处理器从程序计数器(PC)保存的寄存器地址中取指令，存放在指令寄存器(IR)中。
执行指令：	处理器解析IR中的指令并执行对应操作。这些操作分为四类： 处理器-存储器 在存储器和处理器之间传递数据 处理器-I/O 处理器和I/O模块间传递数据 数据处理 数据的算术操作和逻辑操作 控制 改变执行顺序

理想计算机的特征

• 注：

  • a：指令寄存器中的存储格式

  • b：数据寄存器中的存储格式

程序执行的例子

• 将地址940的存储单元中的内容与地址为941的存储单元中的内容相加，并将结果保存在后一个单元

操作系统的概念

• 应用程序和系统硬件之间的接口

• 控制应用程序执行的程序

• 操作系统与普通的计算机软件相同

• 由处理器执行的一段和一组程序

  • 操作系统经常释放控制，并且必须依赖于处理器才能

• 恢复控制

操作系统的目标

方便	是计算机更易于使用
有效	更有效的利用计算机资源
扩展的能力	不影响服务的情况下:有效的开发，测试和引入新的系统功能

计算机系统的层次视图

​操作系统提供的服务

• 程序开发

• 程序执行

• I/O设备访问

• 文件访问控制

• 系统访问

• 错误检测和响应

  • 内部或外部的硬件错误

    • 存储器错误

    • 设备故障

  • 软件错误

    • 算术溢出

    • 试图访问被禁止的存储器单元

  • 操作系统无法确认应用程序的请求

操作系统的主要特性、发展及特性

操作系统的主要特性	易扩展性 并发性 共享性 异步性 虚拟性
操作系统的发展	串行处理 简单批处理系统 多道程序批处理系统 分时系统
现代操作系统的特征	微内核体系结构 多线程 对称多处理 分布式操作系统 面向对象设计

• 批处理系统示意图

Linux操作系统的基本构成

• 内核

• Shell

• 文件系统

• 应用程序

内核(kernel)

• 操作系统的核心，负责管理系统的进程、内存、设备驱动程序、文件和网络系统。

• 控制系统和硬件之间的相互通信

• 决定着系统的性能和稳定性

查看内核源码

• 目录：/usr/src/kernels

Linux操作系统的基本概念

文件和文件系统	文件：数据或设备的一种逻辑组织 文件系统：文件间关系管理的一种逻辑组织
程序和进程	程序： 计算机执行的指令集和 进程： 程序的一个运行实例，操作系统资源分配的最小单位
线程(轻量级进程)	程序运行的基本单位，一个进程内部可以有一或若干线程同时运行
信号	Linux系统中进程 通信的一种技术，异步程序设计的基础
客户端和服务器	-

启动流程

• 芯片和部分外围电路的初始化

• 加载内核

• 加载最小文件系统

• 加载硬盘上的根文件系统

• 启动1号进程/sbin/init

BootLoader(uboot)

• BootLoader就是在操作系统内核运行之前运行的一段小程序

• 初始化硬件设备、建立内存空间的映射图，从而将系统的软硬件环境带到一个合适的状态，以便为最终调用操作系统内核准备好正确的环境。

• 严重依赖于硬件，在嵌入式开发中里建立一个通用的

• BootLoader几乎是不可能的。

• 在Linux中称为grub

init进程

• Linux系统启动的第一个进程(1号进程)，0号为内核进程(swapper进程)

• 执行/etc/init.d目录中的所有脚本文件，启动某些系统的服务

• 执行/sbin/getty 初始化0、1和2(标准输入、标准输出和标准错误)

• 执行/bin/login启动用户登录程序

• 管理孤儿进程

内存管理

进程隔离	保护独立的进程，防止互相干涉数据和存储空间
自动分配和管理	动态地分配，分配对程序员是透明的
支持模块化的程序设计	能够定义程序模块，并且动态地创建、销毁模块，改变模块大小
保护和访问控制	允许一部分内存可以由各种用户以各种方式进行访问
长期存储	关机后长时间保存信息

虚拟内存

• 虚存寻址

段页式内存管理

• 进程在虚拟内存中分为代码段、数据段和堆栈段

• 进程在段中有许多固定大小的块组成，这些块成为页

• 虚拟地址由段号、页号和页中偏移量构成

• 虚地址和贮存中实地址(物理地址)的动态映射。

• 缺页

  • 消除了进程全部载入内存中

  • 按需调页

系统调用

• 所谓系统调用是指操作系统提供给用户程序的一组“特殊”接口，用户程序可以通过这组“特殊”接口来获得操作系统内核提供的特殊服务。

Linux进程的运行状态

内核态	进程运行在内核空间
用户态	进程运行在用户空间

• 例：应用程序调用系统函数，进入内核态，调用完毕后进入用户态。

UNIX标准

• ISO C

• IEEE POSIX

  • 在linux中用户编程接口（API）遵循了在UNIX中最流行的应用编程界面标准—POSIX标准。

  • 这些系统调用编程接口主要通过C库(libc)实现的。