操做系統核心原理-2.一些基本概念

1、計算機硬件基礎

1.1 總線結構

　　從概念上講，計算機的結構是總線型的：佈置一根總線將各類硬件設備掛在總線（Bus）上。

　　（1）全部的設備都有一個控制設備，外部設備經過控制器與CPU進行通訊。

　　（2）全部的設備之間的通訊也須要經過總線。

1.2 流水線結構

　　爲了提升計算機的效率，人們又設計出了流水線結構：仿照工業流水裝配線，將計算機的功能部件分爲多個梯級，並將計算機的每條指令拆分爲一樣多個步驟，使每條指令在流水線上流動，到流水線最後一個梯級時指令執行完畢。

　　下圖展現了5個梯級的流水線結構，流水線上的每一個梯級均可以容納一條指令並同時執行。

　　在流水線的基礎之上，爲了進一步提升效率，人們又發明了多流水線、超標量計算和超長指令字等多指令發射機制。

1.3 存儲結構

　　除了指令執行單元外，計算機中的另外一個重要部件是指令的存放單元，被稱爲存儲架構。存儲架構包括了緩存、主存、磁盤、磁帶等。下圖展現了一個包括寄存器在內的5級存儲介質構成的存儲架構。

　　從寄存器到磁帶，每一級存儲媒介的訪問延遲和容量均依次增大，而價格卻依次下降。從圖中能夠看出，寄存器的訪問速度最快，容量最小，但成本卻最高；磁帶的訪問速度最慢，容量最大，可是成本卻最低。經過合理搭配，能夠造成一個性價比頗高的存儲架構。

1.4 中斷機制

　　中斷是計算機裏面的一個最爲重要的機制，它也是操做系統得到計算機控制權的根本保證。其基本原理是：設備在完成本身的任務後向CPU發出終端，CPU判斷優先級，而後肯定是否響應。若是響應，則執行中斷服務程序，並在中斷服務程序執行完後繼續執行原來的程序。下圖簡單地描述了中斷機制：

2、抽象

　　所謂抽象，就是在根本上存在但現實中不存在的東西。抽象來源於具體，但又超越具體。

　　操做系統提供的抽象來源於顯示，就是具體的計算機硬件，如CPU、內存、I/O設備等等。但又超出這些現實，給人提供了強於現實的東西，令人和應用軟件感受到更多、更好的硬件存在。

　　抽象不僅是操做系統提供給用戶的一個存在，它也存在於操做系統內部。操做系統內部分爲不一樣的功能模塊，而不一樣功能塊之間互相提供的也是抽象。想一想在咱們得實際開發中，是否是也遵循着這樣相似的原則？針對抽象編程？面向接口編程？依賴於抽象而不依賴於具體？

3、內核態與用戶態

殘酷的現實：世界上的人並不是都是平等的，有些人生來佔有的資源就多，而有的人佔有的資源就不多。當有些人來了，其餘人就得讓出資源。程序亦是如此。

　　操做系統做爲計算機的管理者，享有着更多的方便或權限。爲了區分不一樣的程序的不一樣權限，人們發明了內核態和用戶態的概念。

3.1 兩種狀態的概念

　　內核態就是擁有資源多的狀態（或訪問資源多的狀態），也稱爲特權態。而用戶態則是非特權態，在用戶態下訪問的資源會受到限制。例如，要訪問OS的內核數據結構，如進程表等，則須要在特權態下才能作到。若是隻須要訪問用戶程序裏的數據，則在用戶態下就能夠了。

3.2 兩種狀態的優點

　　內核態：訪問資源多，但可靠性、安全性要求高，維護管理都比較複雜；

　　用戶態：訪問資源有限，但可靠性、安全性要求低，維護起來比較簡單；

　　那麼，一個程序到底應該運行在內核態仍是用戶態呢？這取決於其對資源和效率的需求；下圖展現了Windows操做系統的內核態與用戶態的界限，咱們能夠看到哪些須要在內核態下運行，哪些只在用戶態下運行。

3.3 兩種狀態的本質

　　計算機對於內核態和用戶態的識別是經過CPU的一個狀態位來實現的，這個狀態位是CPU狀態字裏面的一個字位。所謂的用戶態、內核態實際是CPU的一種狀態，而不是程序的狀態。經過設置該狀態字，可使CPU處於內核態、用戶態或者其餘的子態（有的CPU有更多種子態）。

　　換句話說：一個程序運行時，CPU是什麼態，這個程序就運行在什麼態。

　　那麼，知道了是怎麼實現的，那又是如何對用戶態的訪問進行限制的呢？在對用戶態下程序執行的每一條指令進行檢查，這種檢查又被稱爲地址翻譯，即對程序發出的每一條指令都要通過這個地址翻譯過程（你能夠將其理解爲咱們在實際開發中所做的權限管理，對用戶發出的每一個操做請求首先都通過一個Filter進行過濾），經過對翻譯的控制，就能夠限制程序對資源的訪問。

4、操做系統結構

4.1 單一體結構

　　單一體結構是最先期的結構，這時整個OS是一個巨大的單一體，運行在內核態下，爲用戶提供服務，以下圖所示。

　　但單一體結構各功能塊之間關係複雜，修改困難，牽一髮而動全身，且容易造成循環調用形成死鎖，因而有了下面的層次關係。

4.2 層次化結構

　　將操做系統的功能分紅不一樣的層次，低層次的功能爲緊鄰其上一個層次的功能提供服務，而高層次的功能又爲更高一個層次的功能提供服務，以下圖所示。

4.3 微內核結構

　　從單一體和層次化結構的圖中能夠看出，操做系統的全部功能都在內核態下運行。可是，從用戶態轉爲內核態是有時間成本的，這樣就會形成OS的效率低下。因而，人們將操做系統的核心中的核心才放在內核態運行，其餘功能都遷移到用戶態運行，因而就有了下面的微內核結構。

5、進程、內存和文件

5.1 進程

　　進程是OS中的核心概念，它指的是一個運動中的程序。一個程序一旦在計算機裏運行起來，它就稱爲一個進程。進程與進程之間能夠進行通訊、同步、競爭，並在必定狀況下可能造成死鎖。

5.2 內存

　　內存是另外一個核心概念，它是進程的存放場所。OS要作的就是對內存進行管理，使得數據讀寫高效、安全、簡單。

5.3 文件

　　文件是操做系統提供的外部存儲設備的抽象，它是程序和數據的最終存放地點。OS要作的就是讓用戶的數據存放變得容易、方便和可靠。

6、系統調用

　　操做系統是一個系統程序，即爲別的程序提供服務的程序。那麼，操做系統的服務是經過什麼方式提供的呢？答案就是：系統調用（System Call）。

　　所謂系統調用就是：操做系統提供的API，用戶經過調用這些API便可得到操做系統的服務。（想一想是否是跟咱們如今所做的什麼Web Service、WCF、WebAPI、開放API之類的一致？）例如，若是用戶程序須要進行讀磁盤的操做，在C程序代碼中可使用以下語句來操做：

    result = read(fd, buffer, nbytes);

　　這個read函數是C語言提供的庫函數，而這個庫函數自己則是調用的操做系統的read系統調用。具體的系統調用過程不是咱們討論的重點，但咱們仍是能夠經過下圖來看看這個read系統調用的過程。

參考資料

鄒恆明，《操做系統之哲學原理》，機械工業出版社

 

做者：周旭龍

出處：http://edisonchou.cnblogs.com

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