操作系统（一）之引论

自己写的操作系统学习笔记，如有雷同不胜荣幸，如有错误敬请指正

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操作系统： 为用户程序提供一个更好，更简单，更清晰的计算机模型，并管理所有的相关设备。
（ 用户与之交互的程序，基于文本的通常成为shell，而基于图标的则称为GUI（Graphical User Interface，图形用户界面））

• 硬件包括芯片，电路板，磁盘，键盘，显示器以及类似的设备，在硬件顶部的是软件
• 软件中最基础的部分是操作系统，它运行在内核态（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。软件的其余部分运行在用户态下，在用户态下，只使用了机器指令中的一个子集。

（嵌入式系统：该系统没有内核态；解释系统：如基于java的操作系统，它采用解释方式而非硬件方式区别组件）

1. 什么是操作系统： 为应用程序提供一个资源集的清晰抽象，并管理这些硬件资源

（所有的操作系统都提供使用硬盘的又一层抽象：文件）

作为资源管理者的操作系统： 从这个角度看，操作系统的任务是在相互竞争的程序之间有序的控制对处理器，存储器以及其他 I/O 接口设备的分配。

2. 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。典型的FMS作业结构：① $JOB卡片，它标识所需的最大运行时间，计费账号以及程序员的名字 ② $FORTRAN卡片，通知操作系统从系统磁带上装入 FORTRAN 语言编译器 ③ $LOAD 卡片，通知操作系统装入编译好的目标程序 ④ $RUN 卡片，告诉操作系统运行该程序并使用随后的数据 ⑤ $END 卡片标识作业结束
• 第三代：集成电路和多道程序设计。360是第一个采用（小规模）集成电路（IC）的主流机型
• 第四代：个人计算机（LSI：大规模集成）
• 第五代：移动计算机

3. 计算机硬件简介

处理器：

• 程序计数器：它保存了将要取出的下一条指令的内存地址
• 堆栈指针：它指向了将要取出的下一条指令的内存地址
• 程序状态字（PSW）寄存器：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），以及各种其他控制位
• TRAP指令：把用户态切换成内核态，并启用操作系统。当有关工作完成后，在系统调用后面的指令把控制权返回给用户程序（为了从操作系统中获得服务，用户程序必须使用系统调用以陷入 内核并调用操作系统）

存储器：

• CPU 中的寄存器：其典型的容量是，在32位CPU中为32X32位，在64位CPU中为64X64位
• 高速缓存：主存被分割成高速缓存，其典型大小为64字节，地址0至63对应高速缓存行0，地址64至127对应高速缓存行1。当某个程序需要读一个存储字时，高速缓存硬件检查所需要的高速缓存行是否在高速缓存中，如果是，称为高速缓存命中 （高速缓存命中通常需要两个时钟周期）
• 缓存： 第一级（L1缓存）总是在CPU中，通常用来将已解码的指令调入CPU的执行引擎；第二级（L2缓存）用来存放近来使用过的若干兆字节的内存字。（对L1缓存的访问，不存在任何延时；而对L2缓存的访问，则会延时1或2个时钟周期。intel 多核芯片采用一个L2缓存被所有的核共享；AMD采用每个核都有自己的L2缓存）
• 主存（随机访问存储器，RAM，磁芯存储器）：非易失性随机访问存储器在电源切断后并不丢失其内容；只读存储器（ROM） 不能被更改；EEPROM（电可擦除可编程ROM）和闪存 也是非易失性的，但可擦除和重写；CMOS是易失性的，许多计算机利用CMOS存储器保持当前时间和日期。

磁盘：

信息写在磁盘的一系列同心圆上，在任意一个给定臂的位置，每个磁头可以读取一段环形区域，称为磁道。把一个给定臂的位置上的所有磁道合并起来，组成一个柱面 。每个磁道划分为若干个扇区，扇区的典型是512字节
固态硬盘（SSD）： 没有可以移动的部分，并且数据是存储在寄存器（闪存）中的。

虚拟内存机制： 这种机制需要快速的映像内存地址，以便把程序生成的地址转换为有关字节在RAM中的物理地址，这种映像由CPU中的一个称为存储器管理单元（MMU） 的部件来完成。
上下文切换： 在多道程序系统中，从一个程序切换到另一个程序。
设备驱动程序： 专门与控制器对话，发出命令并接收响应的软件
ATA 代表高级技术附件，SATA 表示串行高级技术附件

将设备驱动程序装入操作系统的途径：

• 将内核与设备驱动程序重新链接，然后重启系统
• 在一个系统文件中设置一个入口，并通知该文件需要一个设备驱动程序，然后重启系统。在系统启动时，操作系统去寻找所需的设备驱动程序并装载之
• 操作系统能够在运行时接受新的设备驱动程序并且立即将其安装好，无须重启系统

实现输入和输出的方式：

• 忙等待：缺点是要占据CPU，CPU一直轮询设备直到对应的 I/O 操作完成
• 中断通知操作：设备驱动程序启动设备并且让该设备在操作完成时发出一个中断，设备驱动程序在这个时刻返回
  
  • ① 设备驱动程序通过写设备寄存器通知设备控制器做什么
  • ② 设备控制器启动该设备，当设备控制器传送完毕被告知要进行读写的字节数量后，它在第二步使用特定的总线发信号给中断控制器芯片
    
  • ③ 如果中断控制器已经准备接收中断，它会在CPU芯片的一个管脚上声明
  • ④ 中断控制器把该设备的编号放到总线上，这样CPU可以读总线，并且知道哪个设备刚刚完成了操作
• 直接村存储器访问（DMA）芯片：它可以控制在内存和某些控制器之间的位流，而无须持续的CPU干预。

CPU 通过 DDR3 总线与内存对话，通过PCIe总线与外围图形设备对话，通过DMI总线经集成中心与所有其他设备对话。而集成中心通过通用串行总线与USB设备对话，通过SATA总线与硬盘和DVD驱动器对话，通过PCIe传输以太网络帧。
SCSI 总线是一种高速总线，用在高速硬盘，扫描仪和其他需要较大带宽的设备上
实现即插即用 的 I/O 系统的方案是在每块 I/O 卡上提供 DIP 开关或跳槽器。即插即用所做的工作是，系统自动的收集有关 I/O 设备的信息，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。

4. 操作系统大观园

• 大型机操作系统：OS/390
  
  • 批处理系统：处理不需要交互式用户干预的周期性作业
  • 事物处理系统：负责大量小的请求
  • 分时系统：允许多个远程用户同时在计算机上运行作业
• 服务器操作系统：Solaris,FreeBSD,Linux,Windows Server 201x
• 多处理器操作系统：Windows,Linux
• 个人计算机操作系统：Linux,FreeBSD,Windows7,Windows8,OS X
• 掌上计算机操作系统(PDA个人数字助理)：Android,IOS
• 嵌入式操作系统：嵌入式Linux,QNX,VxWorks
• 传感器节点操作系统：TinyOS
• 实时操作系统：（硬实时系统，软实时系统） eCos
• 智能卡操作系统

5. 进程： 包括进程的地址空间和对应的进程表项

进程本质上是正在执行的一个程序，与每个进程相关的是地址空间。在许多操作系统中，与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以外，均存放在操作系统的一张表中，称为进程表 ，进程表是数结构。

进程系统调用包括：① 申请更多的内存 ② 等待一个子进程结束 ③ 用另一个进程覆盖该程序

在读写文件之前，首先要打开文件，检查其访问权限。若权限许可，系统将返回一个小整数，称作文件描述符

在UNIX中的特殊文件是为了使 I/O 设备看起来像文件一般。快特殊文件指那些由可随机存取的块组成的设备；字特殊文件用于打印机，调制解调器和其他接收或输出字符流的设备

UNIX操作系统通过对每个文件赋予一个9位的二进制保护代码，该保护代码有三个3位字段，一个用于所有者，一个用于与所有者同组（用户被系统管理员划分成组）的其他成员，一个用于其他人。每个字段中有一位用于读访问，一位用于写访问，一位用于执行访问（rwx）

6. 系统调用