在《計(jì)算機(jī)組成與體系結(jié)構(gòu)》——7操作系統(tǒng)支持就已經(jīng)知道齿坷，操作系統(tǒng)并不是和計(jì)算機(jī)一起出現(xiàn)的產(chǎn)物桂肌，然后呢，OS的主要任務(wù)就是任務(wù)的調(diào)度和存儲的管理永淌！因此崎场，在學(xué)習(xí)的時(shí)候，應(yīng)該把重點(diǎn)放在進(jìn)程的理解和文件的管理上遂蛀。
- 1 引論
- 2 進(jìn)程與線程
- 3 內(nèi)存管理
- 4 文件系統(tǒng)
- 5 輸入/輸出
- 6 死鎖
其他的章節(jié)（7-13）可以繼續(xù)了解谭跨。
1.2 操作系統(tǒng)的歷史
- 第一代（1945~1955）：真空管和穿孔卡片
機(jī)器語言 - 第二代（1955~1965）：晶體管和批處理系統(tǒng)
FORTRAN或匯編語言 - 第三代（1965~1980）：集成電路和多道程序設(shè)計(jì)
IBM 360是第一個(gè)采用（小規(guī)模）集成電路的主流機(jī)型，與采用分立晶體管制造的第二代計(jì)算機(jī)相比李滴，其性能/價(jià)格比有很大提高饺蚊。在7094上0，若當(dāng)前作業(yè)因等待磁帶或其他I/O操作而暫停悬嗓，CPU就只能簡單地踏步直到該I/O完成。解決辦法是將內(nèi)存分為幾個(gè)部分裕坊，每一部分存放不同的作業(yè)包竹，當(dāng)一個(gè)作業(yè)等待I/O操作完成時(shí)，另一個(gè)作業(yè)可以使用CPU籍凝。 - 第四代（1980年至今）：個(gè)人計(jì)算機(jī)
x86代表所有使用指令集體系結(jié)構(gòu)家族的現(xiàn)代處理器周瞎，這類處理器的源頭可以追溯到20世紀(jì)70年代的8086芯片。 - 第五代（1990年至今）：移動(dòng)計(jì)算機(jī)
1.3 計(jì)算機(jī)硬件簡介
處理器
【圖】
每個(gè)CPU都有一套可執(zhí)行的專門指令集饵蒂。所以声诸，x86處理器不能執(zhí)行ARM程序，而ARM處理器也不能執(zhí)行x86程序退盯。
除了用來保存變量和臨時(shí)結(jié)果的通用寄存器外彼乌，多數(shù)計(jì)算機(jī)還有一些對程序員可見的專用寄存器泻肯，其中之一時(shí)程序計(jì)數(shù)器，它保存了將要取出的下一條指令的內(nèi)存地址慰照。在指令取出之后灶挟，程序計(jì)數(shù)器就被更新以便指向后繼的指令。
另一個(gè)寄存器時(shí)堆棧指針毒租，它指向內(nèi)存中當(dāng)前棧的頂端稚铣。該棧包含了每個(gè)執(zhí)行過程的棧幀。一個(gè)過程的棧幀中保存了有關(guān)的輸入?yún)?shù)墅垮、局部變量以及那些沒有保存在寄存器的臨時(shí)變量惕医。
還有程序狀態(tài)字（PSW）寄存器。這個(gè)寄存器包含了條件碼位算色、CPU優(yōu)先級抬伺、模式（用戶態(tài)或內(nèi)核態(tài)），以及各種其他控制位剃允。用戶程序通常突入整個(gè)PSW沛简，但是，只對其中的少量字段寫入斥废。在系統(tǒng)調(diào)用和I/O中椒楣，PSW的作用很重要。
流水線與超標(biāo)量：在超變量中牡肉，有多個(gè)執(zhí)行單元捧灰，而不是單個(gè)流水線。
多數(shù)CPU都有兩種模式统锤，內(nèi)核態(tài)和用戶態(tài)毛俏。
用戶在用戶態(tài)下運(yùn)行，僅允許執(zhí)行整個(gè)指令集的一個(gè)子集和訪問所有功能的一個(gè)子集饲窿。以搬而言煌寇，在用戶態(tài)中有關(guān)I/O和內(nèi)存保護(hù)的所有指令是禁止的。當(dāng)然逾雄，將PSW中的模式位設(shè)置成內(nèi)核態(tài)也是禁止的阀溶。為了從操作系統(tǒng)中獲得服務(wù)，用戶程序必須使用系統(tǒng)調(diào)用以陷入內(nèi)核并調(diào)用操作系統(tǒng)鸦泳。
多線程和多核芯片
多線程允許CPU保持兩個(gè)不同的線程狀態(tài)银锻，然后在納秒級的時(shí)間尺度內(nèi)來回切換。多線程并不是真正的并行處理做鹰！在一個(gè)時(shí)刻只有一個(gè)進(jìn)程在運(yùn)行击纬，但是線程的切換時(shí)間則減少那納秒的數(shù)量級。
除了多線程钾麸，還出現(xiàn)了包含2個(gè)或4個(gè)完整處理其或內(nèi)核的CPU芯片更振。
核心數(shù)量更多的GPU炕桨，它們擅長處理大量并行的簡單計(jì)算，比如在圖像應(yīng)用中渲染多邊形殃饿，它們不太能圣人串行任務(wù)谋作，并且很難編程。雖然GPU對操作系統(tǒng)很有用乎芳，但操作系統(tǒng)本身不太可能運(yùn)行在GPU上遵蚜。
存儲器
寄存器與CPU相同的材料制成，所以和CPU一樣快奈惑。其典型的存儲容量是吭净，在32位CPU中為32*32位，而在6位CPU中為64*64位（1KB）肴甸。
高速緩存寂殉，它多數(shù)由硬件控制。主存被分割成高速緩存行原在，其典型大小為64字節(jié)友扰。當(dāng)某一個(gè)程序需要讀一個(gè)存儲字時(shí)，高速緩存硬件檢查所需要的高速緩存行是否在高速緩存中庶柿。如果是村怪，稱為高速緩存命中，緩存滿足了請求浮庐，就不需要通過總線把訪問請求送往主存甚负。高速緩存命中通常需要兩個(gè)時(shí)鐘周期（cycle）。
L1緩存用來存儲已解碼的指令审残，它總是在CPU內(nèi)部梭域，多數(shù)芯片安排由第二個(gè)L1緩存，用來存儲那些頻繁使用的數(shù)據(jù)字搅轿。另外病涨，往往還設(shè)計(jì)由第二級緩存，用來存放進(jìn)來使用過的若干兆字節(jié)的內(nèi)存字璧坟。兩個(gè)級別的緩存差別在于没宾，對L1緩存的訪問，不存在任何延時(shí)沸柔；而對L2緩存的訪問會延時(shí)1或2個(gè)時(shí)鐘周期。
主存（RAM）铲敛，P.S.也就是我們說的內(nèi)存褐澎。
只讀存儲器（ROM），用于啟動(dòng)計(jì)算機(jī)的引導(dǎo)加載模塊就放在ROM中伐蒋。
另外工三，還有最新出現(xiàn)的閃存迁酸，它也是非易失性的，但是可以擦除和重寫俭正。它的性能介于主存和磁盤之間奸鬓。
CMOS存儲器，用于保持當(dāng)前時(shí)間和日期掸读。它由一塊小電池驅(qū)動(dòng)串远，即使電腦沒有上電，時(shí)間仍然可以正確更新儿惫。之所以采用CMOS是因?yàn)樗牡碾娔芊浅Ｉ佟?/p>
磁盤
機(jī)械臂從一個(gè)柱面移到相鄰的柱面大約需要1ms澡罚。而隨機(jī)一道一個(gè)柱面的典型時(shí)間為5ms-10ms，其具體時(shí)間取決于驅(qū)動(dòng)器肾请。一旦磁臂到達(dá)正確的磁道上留搔，驅(qū)動(dòng)器必須等待所需的扇區(qū)旋轉(zhuǎn)到磁頭之下，這就增加了5ms-10ms的時(shí)延铛铁，其具體時(shí)延取決于驅(qū)動(dòng)器的轉(zhuǎn)速隔显。
所以整個(gè)時(shí)延=尋道時(shí)延+旋轉(zhuǎn)時(shí)延+讀（寫）時(shí)延
與磁盤有點(diǎn)類似的是固態(tài)硬盤，它的存儲介質(zhì)是閃存饵逐。
虛擬內(nèi)存機(jī)制：有時(shí)我們需要把程序放到磁盤上括眠，而將主存作為一種緩存，用來保存最頻繁使用的部分程序梳毙。這時(shí)需要快速地映像內(nèi)存地址哺窄，以便把程序生成的地址轉(zhuǎn)換為有關(guān)字節(jié)在RAM中的物理地址。該映射由CPU中的一個(gè)稱為存儲器管理單元（MMU）的部件來完成账锹。
I/O設(shè)備
I/O設(shè)備一般包括兩個(gè)部分：設(shè)備控制器和設(shè)備本身萌业。SATA（Serial ATA，串行高級技術(shù)附件）磁盤控制器可以適配任何一種SATA磁盤奸柬。
專門與控制器對話生年，發(fā)出命令并接收相應(yīng)的軟件，稱為設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序廓奕。一般情況下抱婉，必須把設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序裝入操作系統(tǒng)中，這樣它可在核心態(tài)運(yùn)行桌粉。（具體的裝入方式和中斷處理請看書1.3.4 p17蒸绩。）
總線
在傳統(tǒng)的PCI總線上，一個(gè)32位數(shù)據(jù)通過32條并行的導(dǎo)線發(fā)送铃肯。與之相反患亿，PCIe使用串行總線架構(gòu)，通過一條被稱為數(shù)據(jù)鏈路傳遞集合了所有位的一條消息押逼，這非常像網(wǎng)絡(luò)包步藕。
USB：集中式總線惦界，其根設(shè)備沒1ms輪詢一次I/O設(shè)備，看是否有信息收發(fā)咙冗。
1.5 操作系統(tǒng)概念
時(shí)刻記得：操作系統(tǒng)的兩個(gè)任務(wù)沾歪，任務(wù)調(diào)度和文件管理。
文件
進(jìn)程和文件層次都可以組織成樹狀結(jié)構(gòu)雾消，但這兩種樹狀結(jié)構(gòu)有不少不同之處灾搏。一般進(jìn)程的樹狀結(jié)構(gòu)層次不深（很少超過三層），而文件的樹狀結(jié)構(gòu)常常多達(dá)四層仪或、五層或更多層确镊。進(jìn)程樹層次結(jié)構(gòu)是暫時(shí)的，通常最多存在幾分鐘范删，而目錄層次則可能存在數(shù)年之久蕾域。
在讀寫文件之前，首先要打開文件到旦，檢查其訪問權(quán)限旨巷。若權(quán)限許可，系統(tǒng)會返回一個(gè)小整數(shù)添忘，稱作文件描述符采呐，供后續(xù)操作使用。若禁止訪問搁骑，系統(tǒng)則返回一個(gè)錯(cuò)誤碼斧吐。
本小節(jié)討論的最后一個(gè)特性既與進(jìn)程有關(guān)也與文件有關(guān)：管道。管道（pipe）是一種虛文件仲器，它可以連接兩個(gè)進(jìn)程煤率。當(dāng)進(jìn)程A想對進(jìn)程B發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，它把數(shù)據(jù)寫到管道上乏冀，仿佛管道就是輸出文件一樣蝶糯。
保護(hù)
UNIX操作系統(tǒng)通過對每個(gè)為念賦予一個(gè)9位的二進(jìn)制保護(hù)碼，對UNIX中的文件實(shí)現(xiàn)保護(hù)辆沦。該保護(hù)代碼有3個(gè)字段昼捍，一個(gè)用于所有者，一個(gè)用于所有者同組的其他成員肢扯，一個(gè)用于其他人妒茬。這些位就是知名的rwx位。對于一個(gè)目錄來說蔚晨，x的含義是允許查詢郊闯。
shell
操作系統(tǒng)是進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)用的代碼。shell本身不是操作系統(tǒng)的一部分，但它體現(xiàn)了許多操作系統(tǒng)的特性团赁，并很好地說明了系統(tǒng)調(diào)用的具體用法。
用戶登陸時(shí)谨履，同時(shí)啟動(dòng)了一個(gè)shell欢摄。它以終端作為標(biāo)準(zhǔn)輸入和標(biāo)準(zhǔn)輸出。首先顯示提示符（如$）笋粟，提示用戶shell正在等待接收命令怀挠。假如用戶鍵入
$ date
shell創(chuàng)建一個(gè)子進(jìn)程，并運(yùn)行date程序作為子進(jìn)程害捕。在該子進(jìn)程運(yùn)行期間绿淋，shell等待它結(jié)束。在子進(jìn)程結(jié)束后尝盼，shell再次顯示提示符吞滞，并等待下一行輸入。
現(xiàn)在盾沫，許多個(gè)人計(jì)算機(jī)使用GUI裁赠。事實(shí)上，GUI與shell類似赴精，GUI只是運(yùn)行在操作系統(tǒng)頂部的程序佩捞。
1.6 系統(tǒng)調(diào)用
記住下列事項(xiàng)是有益的。任何單CPU計(jì)算機(jī)一次只能執(zhí)行一條指令蕾哟。如果一個(gè)進(jìn)程正在用戶態(tài)運(yùn)行一個(gè)用戶程序一忱，并且需要一個(gè)系統(tǒng)服務(wù)，比如從一個(gè)文件讀數(shù)據(jù)谭确，那么它就必須執(zhí)行一個(gè)陷阱或系統(tǒng)調(diào)用指令帘营，將控制轉(zhuǎn)移到操作系統(tǒng)。操作系統(tǒng)接著通過參數(shù)檢查找出所需要的調(diào)用進(jìn)程琼富。然后仪吧，它執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用，并把控制返回給在系統(tǒng)調(diào)用后面跟隨的指令鞠眉。
用于進(jìn)程管理的系統(tǒng)調(diào)用
在UNIX中的進(jìn)程將其存儲空間劃分為三段：正文段（如程序代碼）薯鼠、數(shù)據(jù)段（如變量）以及堆棧。數(shù)據(jù)向上增長而堆棧向下增長械蹋。
用于文件管理的系統(tǒng)調(diào)用
- open 打開一個(gè)文件
- close 關(guān)閉文件
- read 讀
- write 寫
- lseek 移動(dòng)文件指針
- stat 返回文件信息
用于目錄管理的系統(tǒng)調(diào)用
- mkdir
- rmdir
- link 允許同一個(gè)文件以兩個(gè)或多個(gè)名稱出現(xiàn)
- mount 允許將兩個(gè)文件系統(tǒng)合并為一個(gè)
各種系統(tǒng)調(diào)用
- chdir
- chmod 改變文件的權(quán)限
- kill
- time 以秒為單位返回當(dāng)前時(shí)間
習(xí)題
- 內(nèi)核態(tài)和用戶態(tài)有哪些區(qū)別出皇？
答：大多數(shù)現(xiàn)代CPU提供兩種執(zhí)行模式：內(nèi)核態(tài)和用戶態(tài)。 CPU可以執(zhí)行其指令集中的每條指令哗戈，并在內(nèi)核態(tài)下執(zhí)行時(shí)使用硬件的各種功能郊艘。 但是用戶態(tài)只能執(zhí)行部分指令，執(zhí)行時(shí)僅使用部分功能。追yi流年
把操作系統(tǒng)的核心功能放在內(nèi)核態(tài)纱注，保證系統(tǒng)可以穩(wěn)健運(yùn)行畏浆，而其他功能放在用戶態(tài)，方便調(diào)用而且不容易造成系統(tǒng)的崩潰狞贱。
x. 陷阱指令刻获、中斷和異常的區(qū)別？
答：操作系統(tǒng)中陷阱瞎嬉，中斷和異常的區(qū)別
