操做系统（一） 操做系统的概念

　　1、操做系统的概念

　　计算机系统逻辑上从底层往上，能够粗分为四个部分：硬件、操做系统、应用程序和用户。

　　操做系统扮演的角色：

• 管理计算机硬件的程序（硬件视角）；
• 为应用程序提供基础（开发者视角）；
• 而且充当计算机硬件和用户的中介（用户视角）。

 

　　操做系统的两个主要目标：

　　(1) OS试图调度计算活动，以确保计算系统的高性能；

　　(2) 操做系统提供一个环境，以便开发和运行程序。

 

2、操做系统的发展

　　批处理系统：只能处理一个应用。

　　分时系统：容许多个用户同时使用计算机系统。

 

　　多道程序系统：经过组织做业让CPU总有一个做业能够执行，提升CPU的利用率。

　　做业调度：操做系统从做业池中选择一个做业，将它调入内存来执行。若是多个做业须要调入内存但又没有足够的内存，那么系统必须在这些做业中作出选择。作出这样的决定称为做业调度。

　　CPU调度：内存中同时有多个做业就绪可运行，那么系统必须作出选择。作出这样的决定称为CPU调度。

 

　　分时系统：或者叫多任务系统，CPU经过在做业之间的切换来执行多个做业，因为切换速度很快，用户能够在每一个程序运行期间与之交互。

 

　　多处理器系统：也成为并行系统（parallel system），有多个紧密通讯的处理器，它们共享计算机总线、时钟，有时还有内存和外设等。也称紧耦合系统。

　　分布式系统：distributed system，由于网络的快速发展，一些计算机系统由一组不共享内存和时钟的处理器组成。这些处理器有各自的本地内存。他们经过各类通讯线路如高速总线或电话线，来相互通讯。这些系统也称为松耦合系统。

 

3、计算机系统结构

　　现代通用计算机系统由CPU和若干设备控制器经过共同的总线相连而成，该总线提供了对共享内存的访问。CPU可与设备控制器并发工做，竞争内存周期。为了确保对共享内存额定有序访问，须要提供内存控制器来实现对内存的同步访问功能。

 

 　　当计算机的电源开启or计算机重启时，发生了什么？　　

　　计算机在运行一个简单的初始化程序，或者叫引导程序（bootstrap program）。它一般位于只读存储器（ROM）中，如计算机内的固件or EEPROM。它初始化系统的全部部分，从CPU寄存器、设备控制器到内存内容。

　　引导程序必须知道如何装入操做系统并开始执行系统。为了完成这一目标，引导程序必须定位操做系统内核并把它装入内存，接着操做系统开始执行第一个进程，而后等待各类操做。

 

　　关于中断：

　　现代操做系统是经过系统中断驱动的。事件的发生一般经过硬件或软件中断来表征。硬件能够随时经过系统总线向CPU发出信号，以触发中断。软件经过执行一种叫作系统调用的操做来触发中断。

　　当CPU被中断时，它暂停正在作的事并当即将执行转到固定的位置去。该固定位置一般是中断服务程序开始位置的地址。中断服务程序开始执行，在执行完毕后，CPU从新执行被中断的计算。

 

　　DMA：direct memory access，直接访问内存。

　　DMA用于告诉I/O设备，在为这种设备设置好缓冲区、指针和计数器后，设备控制器能在本地缓冲存储器和内存之间直接传送一整块数据，而无需CPU的干预。这样每块只产生了一个中断，不像低速设备那样每一个字节（或者字）产生一个中断。

　　字：计算机进行数据处理时，一次存取、加工和传送的数据长度称为字（word）。一个字一般由一个或多个（通常是字节的整数位）字节构成。

 

 

4、存储结构

　　辅助存储器，如磁盘，做为内存的不冲，可以永久性地存储大量的数据。

 

　　内存

　　RAM：random-access memory，随机访问内存，就是咱们一般所说的内存。

　　计算机程序必须在内存中，才能被CPU运行。

　　内存是CPU能够直接访问的惟一大容量存储区域，它是用DRAM的半导体技术实现的，是一组内存字的阵列组成。每一个字都有其地址。经过对特定的内存地址执行一系列load或store指令来实现交互。指令load能将内存中的字移到CPU的内部寄存器中，而指令store能将寄存器的内容移到内存。除此以外，CPU能够自动从内存装入指令以执行。

　　一个典型的指令执行周期，首先从内存中获取指令，并将此指令保存在指令寄存器中。接着，指令被解码，并可能从内存中获取操做数，并将操做数保存在某个内部寄存器中。在指令完成对操做数的执行后，其结果能够存回到内存。

 

　　内存和处理器自己的内置寄存器是CPU能直接访问的存储介质，所以正在执行的任何指令和指令所能使用的任何操做数必须在这些能直接范访问的存储设备中。若是数据不在内存中，那么在CPU能操做他们以前必须先将其移动到内存中。

　　CPU的内置寄存器一般在一个CPU时钟周期内能够被访问，绝大多数CPU能在一个时钟周期内执行一个或者多个操做指令的速度来节码指令并执行有关寄存器内容的简单操做。

　　内存却不能这样，须要经过内存总线的一个事务来访问，内存访问可能须要多个CPU时钟周期来完成。这就形成了处理器一般须要延迟。因为须要频繁访问内存，这种状况是没法忍受的。因而在CPU和内存之间增长了快速内存。这种用于解决速度差别的内存缓冲器，称为高速缓存（cache）。

 

 

5、存储层次

　　高速缓存技术：

　　高速缓存是计算机系统的重要理论之一。基本思想是——信息一般被保存在一个存储系统（内存）中，当使用它时，它会被临时地复制到更快的存储系统中。

　　高速缓存机制是如何运行的？

　　当须要特定的信息时，首先检查它是否在高速缓存中，若是是，能够直接使用高速缓存中的信息；若是否，就使用位于内存系统中的信息，同时将其复制到高速缓存中，以便在不久的未来须要时再次使用。