学习操作系统（1）—— 初始操作系统

一：操作系统的基本概念

定义：操作系统是运行在内核态的系统软件。

对于用户：管理应用程序，为应用程序提供服务
对于机器：管理资源，分配资源
将硬件进行抽象：
CPU ——》进程
磁盘 ——》文件
内存 ——》地址空间

特征

并发性：在一段时间有多个程序同时运行。（并行是在同一时间点）
共享性：共享资源给应用程序。互斥共享或“同时”共享。
虚拟性：一台物理机器虚拟为多个机器
异步性：程序运行不一定是连续的，决定于操作系统的调用

二：操作系统的历史

第一代：真空管和穿孔卡片
第二代：晶体管和批处理系统
第三代：集成电路芯片和多道程序设计
至今：个人计算机

三：操作系统与计算机硬件

由总线连接：CPU（处理器）+内存（存储器）+IO设备（视频控制器+键盘控制器+USB控制器+硬盘控制器）

1. 计算机的管理人——CPU

（1）工作：

从内存取出指令
解码并确定类型和操作数
执行指令

（2）寄存器：由于取指令的过程很久，CPU会使用寄存器

通用寄存器：保存变量和临时结果
专门寄存器：
程序计数器，保存下一个指令的内存地址。
堆栈指针，指向内存栈的顶端（已经进入还未退出的框架）。
程序状态字（PSW）寄存器：包含程序的多个控制信息。

（3）指令集：每个CPU都有一套专门的指令集

在寄存器和内存之间交换字
组合操作数

（4）机制

简单模型：同时读取，解码，执行一条指令
流水线：同时取多条指令的机制。一个CPU可以有分开的取指单元，解码单元，执行单元。一旦指令进入流水线就必须被执行完毕。
超标量CPU：有多个执行单元。多个指令被取出后解码并装入缓冲区，直至执行完毕。

（5）模式：由PSW控制

内核态：操作系统可以访问整个硬件。CPU可以执行所有指令
用户态：CPU只能执行部分指令，禁止执行有关IO和内存访问的指令。

用户态转换内核态：可以通过系统调用这个特殊指令，陷入内核并调用操作系统。

（6）多核芯片

多线程允许CPU保存多个不同的状态，使得每个线程好像有独立的CPU在运行

2. 计算机的仓库——存储器

顶层——CPU

访问时间最快，但是容量也最小。（在N位CPU中容量为N×N位）

第二层——高速缓存

最常用的高速缓存行放置在CPU顶部或接近CPU的高速缓存。

访问较快，但是造价昂贵，容量较小。

流程：当程序需要读取存储字时，通过所引用内存地址的高位计算应该使用的缓存行

如果高速缓存行在高速缓存中，则命中，无需把请求送入主存，一般需要两个时钟周期。
如果高速缓存行不在高速缓存中，则未命中，必须访问主存。此时会调入新的内容

第三层——内存

（1）分类

RAM：随机访问存储器。早期用电磁体制作主存。
ROM：只读存储器。在电源切断后不会丢失内容，也无法修改，便宜。
EEPROM：电可擦除可编程ROM。在电源切断后不会丢失内容，可修改
FM：闪存。在电源切断后不会丢失内容，可修改。（通常是电子设备的存储媒介）
CMOS：易丢失内容（通常用来更新时间，保存计算机启动参数）

（2）虚拟内存

把程序放在下一层的磁盘，通过CPU的存储器管理单元把程序的逻辑地址转换为这一层的内存地址，把这一层的内存作为缓存。

第四层——磁盘/硬盘

容量大，但是由于是机械装置，随机访问十分慢。

（1）结构

磁道：磁盘包含多个金属盘片，信息写在磁盘的同心圆上。每个磁头可以读取一段环形区域，称为磁道。
柱面：所有磁道合并为一个柱面。
扇区：磁道划分为多个扇区。

（2）过程

机械臂从一个柱面移动到另一个柱面
机械臂到达正确的柱面也就是正确的磁道时，等待扇区旋转
扇区旋转到磁头下，开始读写

第五层——磁带

可以保持大量的数据，存储量最大。经常用于上一层磁盘的备份。

3. 计算机的前台货架——IO设备

包括设备管理器和设备本身

（1）设备管理器

为操作系统提供一个接口，方便操作系统控制设备。

设备寄存器

用于设备管理器的通信

映射到操作系统的内存空间（需要占用一定的空间）
放入专门的IO端口空间，每个寄存器都有一个端口地址（需要专门的IO命令）

激活：设备驱动程序从操作系统获取命令，翻译为值并填入设备寄存器中

设备驱动程序（CPU）

对设备管理器发出命令并接收响应的软件。

装入操作系统：

UNIX：内核与设备驱动程序重新连接
WINDOWS：在操作系统文件中设置入口，由操作系统自己装载
USB：动态装载驱动程序

（2）工作

满等待：需要一直占据CPU

用户程序发出一个系统调用
内核将其翻译为对应设备驱动程序的过程调用
设备驱动程序启动IO，不断检查该设备
当设备完成工作后，设备驱动程序把数据送到需要的地方并返回
操作系统把控制返回给用户

中断

用户程序发出一个系统调用
内核将其翻译为对应设备驱动程序的过程调用
设备驱动程序激活设备寄存器，设备管理器启动设备
设备完成工作后，设备管理器发出中断信号，通知中断控制器
CPU决定中断：操作系统阻塞用户，把PSW和程序计数器压入栈，通过设备编号寻找设备驱动程序中的中断处理程序的地址。
中断处理程序开始后，取走PSW和程序计数器，查询设备状态
中断处理程序完成后，用户程序继续进行指令

DMA芯片

DMA芯片可以控制内存和控制器的交流，无需CPU干预。

CPU对DMA进行设置
启动DMA
DMA芯片完成后产生中断

4. 计算机的联络人——总线

基本部分：

高速缓存总线：连接CPU和高速缓存
局部总线：连接CPU和PCI桥
内存总线：连接PCI桥和存储器

PCI部分：连接PCI桥、ISA桥和外部设备，传输速度快

PCI总线：连接USB、SCSI、图片适配器。
USB总线：连接键盘、鼠标等慢速IO设备
SCSI总线：连接高速硬盘、扫描仪等高速IO设备

ISA部分：连接ISA桥和外部设备，传输速度慢

IDE总线：连接磁盘、CD等磁盘IO设备
ISA总线：连接声卡、打印机、调制解调器