1、操作系统引论

一、操作系统

会使用linux系统
建议大家先学会linux的基础指令，可以看菜鸟教程网站进行学习。

1、各种定义

• 操作系统定义
  • 管理计算机的 硬件 和软件资源， 能对各类作业进行调度，方便用户使用计算机的程序集合。
  • 操作系统运行在内核态（也叫管态，核心态）。在这个状态，操作系统可以对所有的硬件访问。

注意：操作系统是最基础的软件。

• 用户接口程序定义
  • 用户接口程序有shell和GUI
    • shell：用户与操作系统交互的程序，基于文本的是shell。
    • GUI：用户与操作系统交互的程序，基于图标的是GUI。

注意：用户接口程序并不属于操作系统。

• 信息
  • 位（bit）+ 上下文（context）= 信息
    • 位（Bit） 是计算机中最小的数据单位，表示一个二进制的 0 或 1。
    • 上下文 是数据所处的环境或规则，决定了如何解释这些位。
  • ASCII码构成的文件就是文本文件
  • 其余是二进制文件
• 内核态和用户态
  • 内核态：
    • 操作系统的“核心大脑”，权限高但需谨慎操作。
  • 用户态：
    • 普通程序的“沙箱”，权限受限但安全。
      • 所以操作系统会把一部分代码放在内核态，另一部分放在用户态来保证安全。
• 程序接口
  • 普通用户无法直接使用程序接口，而是使用系统调用来用程序接口。

2、程序被其他程序翻译成不同格式

在linux的gcc编译器下。我们有一些对文件的操作。操作系统和编译器是辅助关系。

这些操作是【巧妙记忆：ESc iso】
①预处理阶段：

• 使用gcc -E xxx.c -o xxx.i命令
• 作用：处理 #include、#define、#ifdef 等预处理指令。

②编译阶段：

• 使用gcc -S xxx.i -o xxx.s命令
• 作用：将预处理后的代码转换为汇编代码。

③汇编阶段：

• 使用gcc -c xxx.s -o xxx.o命令
• 作用：将汇编代码转换为机器码（二进制目标文件）。

④链接阶段：

• 使用gcc xxx.o -o xxxx命令
• 作用：将目标文件与库文件（如 libc.so）链接，生成可执行文件。

如果我们使用world.c文件进行以上操作。那这4个阶段将构成编译系统（compilation system）。那么命令的执行过程如下图：

3、面临的问题

当一个代码输入到操作系统上，我们的硬盘【不同的用户，硬盘的来源是不同的，材质会不同等等】该如何读取呢？等等。
所以我们就需要用到操作系统的4个重大部分，也是未来学习的过程中重点知识。

• 运行任务的管理：进程和线程、调度和同步机制
• 运行任务的存储管理：内存管理
• 运行任务的外设管理：I/O设备
• 存储数据设备的管理：文件管理

二、硬件

上面这张就是一个硬件分布图【看看就行了，不要死记硬背】。

1、CPU

中央处理单元（CPU），简称处理器。

• CPU作用：处理和执行指令。
• CPU的寄存器：存储下一条要执行的指令。
  • 通用寄存器
  • 程序计数器（PC）
    • 作用：存储下一条要执行的指令的内存地址。
  • 堆栈指针（SP）
    • 作用：指向当前堆栈的顶部地址，管理函数调用时的栈操作。能保护信息和恢复信息。
  • 指令寄存器（IR）
    • 作用：存放当前执行指令。
  • 状态寄存器（FLAGS）
    • 作用：记录运算结果状态（如零标志ZF、进位标志CF）。
    • PSW：并不是一直需要保存，而是运行状态才需要。在记录状态【已经没有运行了】不用。
• CPU的算术逻辑单元ALU
  • 作用：执行算术和逻辑运算。
• 指令集架构
  • 处理器想要处理一条指令，也需要通过一定的规则，这个规则就是指令集架构。
  • 指令类型如下：
    • 加载指令：用于将数据从内存加载到寄存器中。
    • 存储指令：用于将数据从寄存器存回到内存中。
    • 运算指令：用于对来自寄存器和内存的操作数进行运算，例如 add 指令将两个操作数相加并将结果保存在寄存器或内存中。
• CPU的流水线
  • 当CPU正在执行第N条指令时，它可以同时解码第N+1条指令，并读取第N+2条指令，这种形式就叫流水线。
  • 
• CPU的超标量
  • CPU中可以有多个执行单元，例如一个做加法运算，一个做乘法运算。在它们做运算的时候，把许多取指单元和解码单元放入缓存区（cache）中，等到某一个执行单元有空了，就把缓存区中的它们拿一个出来执行。虽然看起来指令乱序了，实际上工作人员肯定设计方法来有序进行。
  • 

2、内存

理想情况下，内存应该是非常快速的（比执行一条指令还要快，以避免拖慢CPU的执行效率），同时容量足够大且成本低廉。然而，当前的技术手段无法同时满足这三个要求。因此，存储系统采用了一种分层次的结构来解决这个问题。

2.1、 寄存器

• 寄存器与CPU同样的材质，跟CPU一样快

2.2、 高速缓存（Cache）

• 位于CPU与主存（内存）之间的超高速临时存储器，由SRAM构成，用于减少CPU访问数据的延迟。
• 局部性原理：
  • 是指：CPU访问存储器的时候，无论是读指令还是存取数据，所访问的存储单元都被区域聚集到一个连续区域中了。也就是说程序具有访问局部区域里的数据和代码的趋势。

2.3、主存

• 主存是指计算机中用于临时存储正在运行的程序和数据的硬件部件，属于RAM（随机存取存储器）。断电后数据丢失（易失性）。
• ROM（只读存储器） 断电后不数据丢失，一旦ROM存储了数据，那么数据就不能被修改了。
• EEPROM（电可擦可编程只读存储器）和 闪存（Flash Memory）与ROM不同，支持数据的擦除和重新写入【重写数据来修正程序错误】。
• CMOS（Complementary Metal-Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体） 存储器
  • 作用：存储BIOS/UEFI设置（如启动顺序、日期时间、硬件参数）。确保即使在电源关闭后也能持续追踪这些关键数据。
  • 特性：易失性存储器，依赖**纽扣电池（CR2032）**维持数据（断电后不丢失）。

2.4、磁盘

在市面上的磁盘有2类，我们先看机械磁盘，然后看固态磁盘。
推荐观看这个视频，用的《CSAPP》书讲解

2.4.1、机械磁盘（HDD）

主体结构介绍

• 盘片（platter）：上图中的圆盘就是盘片。上面有磁性的记录材料，可以记录数据。
  • 盘面（surface）：每个盘片有2个面 ，这个面就是盘面。
• 主轴（spindle）：可以旋转。主轴带动盘片以固定的速率高速旋转。
• 读/写头：来读写盘面表面存储的数据。上下盘面都有一个读/写头.
  • 所有的读写头都是一起运动的，垂直并列。
• 磁盘臂：通过磁盘臂的运动就可以运行读写数据的行为了。如果需要读取目标文件，盘面就会旋转起来。
  • 寻找位置的这个过程【不包括旋转】叫寻道。
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细节分析

先是磁道

• 磁道：盘面的表面划分了一圈圈的磁道
  • 扇区：磁道里面有许多扇区。
    • 扇区与扇区之间有一些小间隙，存储的不是 数据 而是 标识信息。
      

然后单位

• byte是字节单位，不要理解成比特bit了。
• 在I/O设备里的单位是不同的。如下图
  
  

然后对扇区的访问时间主要分布为3个部分

扇区访问时间 = 寻道时间+旋转时间+传送时间

• 寻道时间：磁盘臂寻道过程的时间。
• 旋转时间：盘片旋转将请求数据所在扇区移至读写磁头下方所需要的时间
• 传送时间：完成传输所请求的数据所需要的时间。

单位

• 扇区： 硬盘的最小读写单元
• 块/簇： 是操作系统针对硬盘读写的最小单元
• page： 是内存与操作系统之间操作的最小单元。

2.4.2、固态硬盘（SSD）

在现在的电脑几乎都是固态硬盘了。固态硬盘的缺陷就是容易磨损。推荐看这个视频了解

• 固态硬盘由一个或多个闪存芯片构成的。
  • 使用闪存芯片 取代了 传统的机械臂转动和盘片旋转方式。
• 闪存转换站（FTL）
  • 功能与磁盘控制器类似：都是将操作系统对逻辑块的请求 翻译成 对底层物理设备的访问。
• 固态硬盘的擦除操作
  • 固态硬盘除了读/写操作，还多了擦除操作。
  • 但是擦除只能把1 变成 0 ，而不能把0 变成1 。 所以每一个page在放入数据前都是 1 。
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3、I/O设备

3.1、定义

I/O设备就是可以将数据输入到计算机 或者 可以接收计算机输出数据的外部设备 ， 属于计算机的硬件部分。

3.2、分类

3.2.1、按使用特性分类

• 人机交互类 外部设备：数据传输慢---->用于人机交互
• 存储设备：数据传输快---->用于数据存储
• 网络通信设备：数据传输介于2者之间---->用于网络通信

3.2.2、按传输速率分类

• 低速设备：每秒几个到几百字节
• 中速设备：每秒千到万字节
• 高速设备：每秒可以到千兆字节

3.2.3、按信息交换的单位

• 块设备：传输速率较高，可寻址，即对它可随机地读/写任一块。
• 字符设备：传输速率较慢，不可寻址。在输入/输出时，常采用中断驱动方式。

4、设备控制器和设备驱动器

设备控制器【硬件】：负责直接控制物理设备，能够接收并执行来自操作系统的指令。
设备驱动器【软件】：设备控制器通过设备驱动器利用中断与操作系统通信。

5、实现输入和输出的方式有三种

• 忙等待：一直循环直到需要的条件满足。会一直占据CPU，CPU一直轮询I/O设备直到I/O操作完成。
• 设备驱动程序启动设备并且让该设备在操作完成时发生中断，设备驱动程序在这个时刻返回。操作系统接着在需要时阻塞调用者并安排其他工作进行。当设备驱动程序检测到该设备操作完成时，它发出一个 中断 通知操作完成。
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• 引入DMA控制器，代替CPU直接管理I/O设备与内存之间的数据传输。【直接存储器访问(Direct Memory Access, DMA) 芯片】