操做系統（一） 操做系統的概念

　　1、操做系統的概念

　　計算機系統邏輯上從底層往上，能夠粗分爲四個部分：硬件、操做系統、應用程序和用戶。

　　操做系統扮演的角色：

• 管理計算機硬件的程序（硬件視角）；
• 爲應用程序提供基礎（開發者視角）；
• 而且充當計算機硬件和用戶的中介（用戶視角）。

 

　　操做系統的兩個主要目標：

　　(1) OS試圖調度計算活動，以確保計算系統的高性能；

　　(2) 操做系統提供一個環境，以便開發和運行程序。

 

2、操做系統的發展

　　批處理系統：只能處理一個應用。

　　分時系統：容許多個用戶同時使用計算機系統。

 

　　多道程序系統：經過組織做業讓CPU總有一個做業能夠執行，提升CPU的利用率。

　　做業調度：操做系統從做業池中選擇一個做業，將它調入內存來執行。若是多個做業須要調入內存但又沒有足夠的內存，那麼系統必須在這些做業中作出選擇。作出這樣的決定稱爲做業調度。

　　CPU調度：內存中同時有多個做業就緒可運行，那麼系統必須作出選擇。作出這樣的決定稱爲CPU調度。

 

　　分時系統：或者叫多任務系統，CPU經過在做業之間的切換來執行多個做業，因爲切換速度很快，用戶能夠在每一個程序運行期間與之交互。

 

　　多處理器系統：也成爲並行系統（parallel system），有多個緊密通訊的處理器，它們共享計算機總線、時鐘，有時還有內存和外設等。也稱緊耦合系統。

　　分佈式系統：distributed system，由於網絡的快速發展，一些計算機系統由一組不共享內存和時鐘的處理器組成。這些處理器有各自的本地內存。他們經過各類通訊線路如高速總線或電話線，來相互通訊。這些系統也稱爲鬆耦合系統。

 

3、計算機系統結構

　　現代通用計算機系統由CPU和若干設備控制器經過共同的總線相連而成，該總線提供了對共享內存的訪問。CPU可與設備控制器併發工做，競爭內存週期。爲了確保對共享內存額定有序訪問，須要提供內存控制器來實現對內存的同步訪問功能。

 

 　　當計算機的電源開啓or計算機重啓時，發生了什麼？　　

　　計算機在運行一個簡單的初始化程序，或者叫引導程序（bootstrap program）。它一般位於只讀存儲器（ROM）中，如計算機內的固件or EEPROM。它初始化系統的全部部分，從CPU寄存器、設備控制器到內存內容。

　　引導程序必須知道如何裝入操做系統並開始執行系統。爲了完成這一目標，引導程序必須定位操做系統內核並把它裝入內存，接着操做系統開始執行第一個進程，而後等待各類操做。

 

　　關於中斷：

　　現代操做系統是經過系統中斷驅動的。事件的發生一般經過硬件或軟件中斷來表徵。硬件能夠隨時經過系統總線向CPU發出信號，以觸發中斷。軟件經過執行一種叫作系統調用的操做來觸發中斷。

　　當CPU被中斷時，它暫停正在作的事並當即將執行轉到固定的位置去。該固定位置一般是中斷服務程序開始位置的地址。中斷服務程序開始執行，在執行完畢後，CPU從新執行被中斷的計算。

 

　　DMA：direct memory access，直接訪問內存。

　　DMA用於告訴I/O設備，在爲這種設備設置好緩衝區、指針和計數器後，設備控制器能在本地緩衝存儲器和內存之間直接傳送一整塊數據，而無需CPU的干預。這樣每塊只產生了一箇中斷，不像低速設備那樣每一個字節（或者字）產生一箇中斷。

　　字：計算機進行數據處理時，一次存取、加工和傳送的數據長度稱爲字（word）。一個字一般由一個或多個（通常是字節的整數位）字節構成。

 

 

4、存儲結構

　　輔助存儲器，如磁盤，做爲內存的不衝，可以永久性地存儲大量的數據。

 

　　內存

　　RAM：random-access memory，隨機訪問內存，就是咱們一般所說的內存。

　　計算機程序必須在內存中，才能被CPU運行。

　　內存是CPU能夠直接訪問的惟一大容量存儲區域，它是用DRAM的半導體技術實現的，是一組內存字的陣列組成。每一個字都有其地址。經過對特定的內存地址執行一系列load或store指令來實現交互。指令load能將內存中的字移到CPU的內部寄存器中，而指令store能將寄存器的內容移到內存。除此以外，CPU能夠自動從內存裝入指令以執行。

　　一個典型的指令執行週期，首先從內存中獲取指令，並將此指令保存在指令寄存器中。接着，指令被解碼，並可能從內存中獲取操做數，並將操做數保存在某個內部寄存器中。在指令完成對操做數的執行後，其結果能夠存回到內存。

 

　　內存和處理器自己的內置寄存器是CPU能直接訪問的存儲介質，所以正在執行的任何指令和指令所能使用的任何操做數必須在這些能直接範訪問的存儲設備中。若是數據不在內存中，那麼在CPU能操做他們以前必須先將其移動到內存中。

　　CPU的內置寄存器一般在一個CPU時鐘週期內能夠被訪問，絕大多數CPU能在一個時鐘週期內執行一個或者多個操做指令的速度來節碼指令並執行有關寄存器內容的簡單操做。

　　內存卻不能這樣，須要經過內存總線的一個事務來訪問，內存訪問可能須要多個CPU時鐘週期來完成。這就形成了處理器一般須要延遲。因爲須要頻繁訪問內存，這種狀況是沒法忍受的。因而在CPU和內存之間增長了快速內存。這種用於解決速度差別的內存緩衝器，稱爲高速緩存（cache）。

 

 

5、存儲層次

　　高速緩存技術：

　　高速緩存是計算機系統的重要理論之一。基本思想是——信息一般被保存在一個存儲系統（內存）中，當使用它時，它會被臨時地複製到更快的存儲系統中。

　　高速緩存機制是如何運行的？

　　當須要特定的信息時，首先檢查它是否在高速緩存中，若是是，能夠直接使用高速緩存中的信息；若是否，就使用位於內存系統中的信息，同時將其複製到高速緩存中，以便在不久的未來須要時再次使用。