操作系統(tǒng)的作用

• 管理計算機硬件
• 充當(dāng)計算機用戶和計算機硬件的中介(操作系統(tǒng)控制硬件,協(xié)調(diào)各個用戶應(yīng)用程序的硬件)

計算機系統(tǒng)的資源

CPU時間、內(nèi)存空間、文件存儲空間、I/O設(shè)備等

操作系統(tǒng)的定義

• 如何定義一個操作系統(tǒng):

計算機系統(tǒng)的根本目的是,執(zhí)行用戶程序并且更容易解決用戶問題。為了實現(xiàn)這一目的構(gòu)造了計算機硬件。

由于硬件本身并不容易使用,因此開發(fā)了應(yīng)用程序。

有些應(yīng)用程序需要一些共同操作,如控制I/O設(shè)備。

這些控制和分配I/O設(shè)備資源的共同功能則被組成一個軟件模型:操作系統(tǒng)

• 比較公認的定義:

操作系統(tǒng)是一直運行在計算機上的程序(通常稱為內(nèi)核(kernel))

除了內(nèi)核外還有兩類程序: 系統(tǒng)程序和應(yīng)用程序

系統(tǒng)程序: 與系統(tǒng)運行有關(guān),但不是內(nèi)核的一部分

應(yīng)用程序: 與系統(tǒng)運行無關(guān)的所有其他程序

中間件

• 產(chǎn)生: 移動操作系統(tǒng)通常不只有內(nèi)核,也有中間件
• 定義: 為應(yīng)用程序開發(fā)人員提供其他功能的軟件框架
• 栗子: 最常用的兩個移動操作系統(tǒng)(IOS和Android),除了內(nèi)核外,都有中間件以便支持?jǐn)?shù)據(jù)、多媒體和圖形等.

總線

• 物理: 一根根線,用于連接一個或多個CPU和若干設(shè)備管理器
• 作用: 提供到內(nèi)存的訪問服務(wù)

設(shè)備管理器

• 作用: 負責(zé)一類特定的設(shè)備(磁盤驅(qū)動、音頻設(shè)備或視頻顯示器等)

計算機開機(或重啟)后的一系列操作:

• 初始程序: 當(dāng)計算機打開或重啟以便開始運行時,它需要運行一個初始程序
• 初始程序的位置: 初始程序(或引導(dǎo)程序)一般位于計算機的固件(firmware),如ROM(Read-Only Memory,只讀內(nèi)存)或EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory,電可擦可編程只讀內(nèi)存)
• 引導(dǎo)程序的作用: 它初始化系統(tǒng)的各個組件,從CPU寄存器、設(shè)備控制器到內(nèi)存內(nèi)容
• 引導(dǎo)程序: 引導(dǎo)程序必須知道如何加載操作系統(tǒng)并且開始執(zhí)行系統(tǒng),因此引導(dǎo)程序必須定位操作系統(tǒng)內(nèi)核并且加到內(nèi)存

中斷:

• 作用: 用于告知CPU事件的發(fā)送,并采用相應(yīng)的事件處理程序
• 特點: 當(dāng)CPU被中斷時,它停止正在做的事,并立即轉(zhuǎn)到固定位置(通常包含終端服務(wù)程序的開始地址)再繼續(xù)執(zhí)行。在執(zhí)行完畢(中斷程序)后,CPU重新執(zhí)行被中斷的計算
• 硬件中斷: 隨時通過系統(tǒng)總線發(fā)送信號到CPU,觸發(fā)中斷
• 軟件中斷: 通過系統(tǒng)調(diào)用(也稱監(jiān)督程序調(diào)用(monitor call)),觸發(fā)中斷

位、字節(jié)、字

• 位: 或比特(bit),即一個0或一個1
• 字節(jié)(byte): 8位,是大多數(shù)計算機的常用最小存儲
• 字(word): 計算機架構(gòu)的常用存儲單位,有一個或多個字節(jié)組成

CPU只能從內(nèi)存中加載指令,因此執(zhí)行程序必須位于內(nèi)存

內(nèi)存

• 定義: 內(nèi)存(main memory),也稱為隨機訪問內(nèi)存(Random Access Memory, RAM)
• 作用: CPU從內(nèi)存中加載指令,執(zhí)行的程序必須位于內(nèi)存之內(nèi).
• 馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu):

首先從內(nèi)存中獲取指令,并存到指令寄存器(instruction register)。

接著,該指令被解碼,也可能會從內(nèi)存中獲取操作數(shù)據(jù)并且存到內(nèi)部寄存器

在指令完成對操作數(shù)據(jù)的執(zhí)行后,結(jié)果也可存到內(nèi)存

• 理想情況下,程序和數(shù)據(jù)無法永久駐留內(nèi)存的原因:

內(nèi)存通常太少,不能保留所有需要的程序和數(shù)據(jù)

內(nèi)存是失性的(volatile)存儲設(shè)備,掉電時就會失去所有內(nèi)容

外存

• 作用: 擴充內(nèi)存
• 特點: 能存儲大量數(shù)據(jù),且數(shù)據(jù)不易丟失
• 常見外存: 磁盤或硬盤
• 外存與內(nèi)存的關(guān)系: 大多數(shù)程序(系統(tǒng)與應(yīng)用)都保存在磁盤上,當(dāng)要執(zhí)行時才加載到內(nèi)存

存儲設(shè)備的層次

• 速度從快到慢:

寄存器

高速緩存

內(nèi)存

固態(tài)硬盤

硬盤

光盤

磁帶

• 注:

固態(tài)硬盤之上的存儲系統(tǒng)為易失的

固態(tài)硬盤及之下的為非易失的

I/O結(jié)構(gòu)

• 計算機系統(tǒng)由一個CPU和多個設(shè)備控制器組成,它們通過共同總線連在一起
• 每個設(shè)備控制器管理某一特定類型的設(shè)備
• 設(shè)備控制器:

每個設(shè)備控制器維護一定量的本地緩沖程序和一組特定用途的寄存器

負責(zé)在所控的外圍設(shè)備與本地緩沖存儲之間進行數(shù)據(jù)傳遞

操作系統(tǒng)為設(shè)備控制器提供了一個設(shè)備驅(qū)動程序,負責(zé)設(shè)備控制器,并且為操作系統(tǒng)的其他部分提供統(tǒng)一的設(shè)備訪問接口

• I/O開始:

設(shè)備驅(qū)動程序加載設(shè)備控制器的適當(dāng)寄存器,

設(shè)備控制器檢查寄存器內(nèi)容,以便覺得采用什么操作

控制器開始從設(shè)備像本地緩沖區(qū)傳輸數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)傳輸完畢后,設(shè)備控制器就會通過中斷通知設(shè)備驅(qū)動程序

設(shè)備驅(qū)動程序返回控制到操作系統(tǒng)

• 直接內(nèi)存訪問:
• 產(chǎn)生: 上述第4步中斷I/O會帶來很大的開銷,為了解決這個問題產(chǎn)生了直接內(nèi)存訪問(DMA, Direct Memory Access)
• 實現(xiàn): 為I/O設(shè)備設(shè)置好緩沖、指針和計數(shù)器,設(shè)備控制器可在本地緩沖和內(nèi)存之間傳送整塊的數(shù)據(jù),而無需CPU的干預(yù)
• 與傳統(tǒng)的區(qū)別: 每塊只產(chǎn)生一個中斷,來告知設(shè)備驅(qū)動程序操作已完成,而不像傳統(tǒng)那樣每個字節(jié)產(chǎn)生一個中斷.

參考《操作系統(tǒng)概念》P1~P8

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的操作系统 --- [笔记]功能、组成的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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