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。
- 用户接口程序有
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
- 位(bit)+ 上下文(context)= 信息
- 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。
- 普通程序的“沙箱”,权限受限但安全。
- 内核态:
- 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。
- 普通用户无法直接使用程序接口,而是使用
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
。
- 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
- 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。
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。
- 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。
- 扇区:磁道里面有许多扇区。
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 。
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。
- 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】
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