【现代操作系统】第一章：引论

【现代操作系统】第一章：引论∑

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第一章：引论

操作系统：为用户程序提供一个更清晰的计算机模型，并管理输入/输出设备。
用户与之交互的程序，如果基于文本通常称为shell，如果基于图标则称为图形用户界面（GUI，Graphical User Interface）.
每个人都会对诸如Windows，Linux，macOS等操作系统有所体验，但这些交互是很肤浅的。甚至包括shell和GUI并不是操作系统的一部分，尽管这些程序使用操作系统来完成工作。

下图给出了主要部件的简化视图。
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内核态（管态、核心态）：在这个模式中，操作系统具有对所有硬件的完全访问权，可以执行机器能够运行的任何指令。
用户态：在该模式下只能使用了机器指令的一个子集。特别的，那些影响机器控制或可以进行I/O操作的指令，在用户态下都是被禁止的。
用户接口程序（shell或GUI）处于用户态程序中的最底层。

注意：在嵌入式系统（该系统没有内核态）或者解释系统（它采用解释方式而非硬件方式区分组件，如基于Java的操作系统）中，上述区别是模糊的。
另外，在许多系统中，一些在用户态下运行的程序协助操作系统完成特权功能。在这类系统中，很难划分出一条明显的界限。

1.1 什么是操作系统

操作系统很难有准确的定义。操作系统有两个基本上独立的任务，一是管理硬件，二是为应用程序提供借口。

1.1.1 作为扩展机器的操作系统

在机器语言级别，多数计算机的体系结构是十分原始的，而且编程困难。例如SATA（Serial ATA）硬盘，我们是使用硬盘驱动（disk driver）来进行软硬件交互（而不用深入细节，而不是是直接使用接口。
在这里，操作系统的任务是隐藏硬件，来呈现给程序良好的抽象。

1.1.2 作为资源管理者的操作系统

现代计算机包含处理器、存储器、始终、磁盘等等许多设备。在这里，操作系统的任务是在相互竞争的程序之间有序地控制对处理器、存储器以及其他I/O接口设备的分配。
资源管理包括两种不同方式来实现共享资源：时间上复用和空间上复用。

1.2 操作系统历史

第一台数字计算机是Babbage发明设计的。但可惜这是一条纯机械的装置，没有操作系统。
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：集成电路和多道程序设计。
第四代：个人计算机。
第五代：移动计算机。

1.3 计算机硬件简介

1.3.1 CPU

CPU是从内存中取出指令并执行之。
在每一个CPU基本周期中，先从内存中取出指令，编码以确定其类型和操作数，然后执行，循环以上步骤，直到程序被执行完成。
每一个CPU都有一套可执行的专门指令集。因此，x86处理器不能执行ARM程序，反之ARM处理器也不能执行x86程序。
对于CPU而言，访寸寻找指令和数据花费的时间比执行指令花费的时间长很多。因此CPU内部有一些用来保存关键变量和临时数据的寄存器。
除此之外，大多数CPU还有一些对程序员可见的专用寄存器，例如程序计数器、堆栈指针、程序状态字体。

程序计数器：保存了下一条指令的内存地址。并且在指令取出后，程序计数器自动加一。
堆栈指针：指向内存中当前栈的顶端。
程序状态字（Program Status Word，PSW ）：包含了条件码位（由比较指令设置），CPU优先级、模式（用户态或内核态，一个二进制位来控制），以及各种其他控制位。

操作系统必须知晓所有的寄存器。例如，在时间多路复用CPU中，操作系统经常会终止正在运行的某一个程序并启动/再启动另外一个程序。每次停止一个运行的程序，操作系统必须保存所有的寄存器值，这样在稍后该程序被重新运行时，可以把这些寄存器重新装入。

为了改善性能，CPU设计师早就放弃了同时读取、解码和执行一条指令的简单模型。当代CPU具有同时取出多条指令的机制，即流水线机制。
比流水线机更先进的设计是超标量CPU。在该设计模式中，由多个执行单元，例如，一个CPU用于整数算术运算，一个用于浮点算术运算，一个用于布尔运算等。只要由一个执行单元空闲，就马上检测缓冲区是否还有可以处理的指令。当然，这种设计模式有自己的缺陷，例如程序的指令经常不按序执行。

系统调用：用户使用系统调用来从操作系统中获取服务。
TRAP指令：计算机使用陷入指令来执行系统调用，TRAP指令使用户态切换为内核态。
多线程/超线程：允许CPU保持两个不同的线程状态，然后在纳秒级的时间尺度内来回切换。多线程并不是并行处理，一个时刻内只有一个进程在运行。

1.3.2 存储器

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寄存器：存储系统的顶层，最靠近CPU的存储器。和CPU速度一样快（由相同的材料做成），访问没有时延。但价格放归，容量小。
高速缓存：由硬件控制，主存被分割为高速缓存行（cache line）。一般被放到CPU附近的位置。价格昂贵，大小有限。很多计算机设置多级高速缓存。
主存：存储系统的主力，通常称为随机访问存储器（Random Access Memory, RAM），RAM的最大特征便是断电后丢失内容。另外，计算机使用只读存储器（Read Only Memory, ROM），ROM断电后内容不会丢失，因此用于启动计算机的引导加载模块就存放在ROM中。
磁盘：磁盘容量大且便宜，速度慢。其低俗的原因是磁盘是一种机械装置。当然还有一些根本不是磁盘的磁盘，比如固态硬盘。

1.3.3 I/O设备

除了CPU与存储器之外，操作系统还需要管理I/O设备。
I/O设备包括两部分：设备控制器、设备本身。
设备控制器是插在电路板上的一块/一组芯片，这块电路板物理地控制设备，它从操作系统接受命令。由于每类设备控制器都是不同的，所以需要对不同的软件进行控制，设备驱动程序完成该项工作。
设备本身有一个相对简单的接口，该接口既不能做很多工作，又已经被标准化了。
实现输入/输入的方式有三种：1. 忙等待，即查询方式。2. 终端方式。3. 直接存储器访问（Direct Memory Access，DMA）。

1.3.4 总线

共享总线架构：多个设备使用一些相同的导线传输数据。
并行总线架构：通过多条导线发送数据的每一个字。
串型总线架构：使用数据通路来传递集合了所有位的一条消息。
即插即用：系统自动收集有关I/O设备的心细，集中赋予中断级别和I/O地址，然后通知每块卡所使用的数值。

1.3.5 启动计算机

每台计算机上有一块母板，母板上有一块名为基本输入输出系统（Basic Input Output System, BIOS）的程序。
在计算机启动时，BIOS开始运行，它首先检查安装的RAM的数量，键盘和其他基本设备是否已经安装并正常响应。接着，它开始扫描PCIe和PCI总线并找出连接上面的所有设备。如果现有设备和系统上一次启动时设备不同，则新的设备将被配置。然后，BIOS通过尝试存储在CMOS存储器中的设备清单决定启动设备（此时用户可以进入一个BIOS配置程序，对设备清单进行修改）。启动设备上的第一个扇区被读入内存内存并执行。然后，操作系统询问BIOS来获得配置信息。对于每种设备，系统检查对应的设备驱动程序是否存在。一旦设备驱动程序就位，操作系统就将它们调入内核。随后初始化有关表格，创建需要的任何北京进程，启动登入程序。

1.4 操作系统分类

大型操作系统：用于大型机。主要面向多个作业的同时处理。
服务器操作系统
多处理器操作系统
个人计算机操作系统
掌上操作系统
嵌入式操作系统：不允许用户安装软件，所有的软件都保存在ROM中。其主要特征是：不可信的软件肯定不能在嵌入式系统上运行。
传感器节点操作系统
实时操作系统：硬实时操作系统/软实时操作系统
智能卡操作系统

1.5 操作系统的概念

1.5.1 进程

进程：进程本质上正在执行的一个程序。与每个进程相关的还有资源集，包括寄存器（程序计数器和堆栈指针）、打开文件的清单、突出的报警、有关进程清单，以及运行该程序所需要的其他基本信息。进程基本上是容纳运行一个程序所需要的所有信息的容器。
地址空间：从某一个最小值的存储位置到某个最大值的存储位置的列表。在地址空间中，进程可以进行读写。同时，改地址空间存放有可执行程序，程序的数据以及程序的堆栈。
进程表(process table)：进程表是数组/链表结构，保存了一个进程有关的所有信息（除了该进程自身地址空间的内容），当前存在的每一个进程都占用进程表中的一项。
UID(User IDentification): 系统管理器授权给每个进程使用一个给定的UID。每一个被启动的进程都有一个启动该进程的用户UID（子进程与父进程有一样的UID）。
GID(Group IDentification):每一个组有一个GID，用户可以是某一个组的成员。

1.5.2 地址空间

如果有一个进程有比计算机内存还大的地址空间，且该进程希望使用全部的内存，该从如何处理？
早期计算机无法处理。现在，可以使用虚拟存储技术。

1.5.3 文件

如前所述，操作系统一个重要的功能是隐藏磁盘和其他I/O的细节特征，提供给程序员一个良好的、清晰的独立于设备的抽象文件类型。

目录（directory）：
根目录（root directory）：目录的顶部。
绝对路径名：包含了从根目录到该文件的所有目录清单。
工作目录（working directory）：若给定一个路径没有以斜线开头，则将在工作目录下寻找。
文件描述符（file descriptor）：读写文件之前，首先检查文件的访问权限，若权限许可，则返回文件描述符；否则返回一个错误码。
特殊文件（special file）：提供特殊文件文件是为了使I/O设备看起来像文件一般。有两类特殊文件，块特殊文件与字符特殊文件。
管道（pipe）：管道是一种虚文件，它可以连接两个进程。

1.5.4 输入/输出

每个操作系统都有管理其I/O设备的I/O子系统。
某些I/O软件是设备独立的，即这些I/O软件部分可以同样应用于许多或者全部的I/O设备上。I/O软件的其他部分，如设备驱动程序，是专门为特定的I/O设备设计的。

1.5.5 保护

管理系统的安全性完全依赖于操作系统。

1.5.6 shell

操作系统是进行系统调用的代码。
编译器、编辑器、汇编程序、链接程序、效用程序、命令解释程序等虽然十分重要，但并不是操作系统的组成部分。
shell是UNIX下的命令解释器，虽然shell不是操作系统的一部分，但是它体现了许多操作系统的特性，并且很好地说明了系统调用的具体用法。shell同时也是终端用户与操作系统之间的接口（除非用户使用的是图形化界面）/
shell分为很多种，例如sh、csh、ksh、bash等。
用户登录时，同时启动了一个shell。它以终端作为标准输入和标准输出。首先显示提示符（prompt）

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