第1章 引論

現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由一個(gè)或多個(gè)處理器、主存、磁盤、打印機(jī)、鍵盤、鼠標(biāo)、顯示器、網(wǎng)絡(luò)接口以及各種其他輸入/輸出設(shè)備組成。一般而言，現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)。如果每位應(yīng)用程序員都不得不掌握系統(tǒng)的所有細(xì)節(jié)，那就不可能再編寫代碼了。而且，管理這些部件并加以優(yōu)化使用，是一件挑戰(zhàn)性極強(qiáng)的工作。所以，計(jì)算機(jī)安裝了一層軟件，稱為操作系統(tǒng)，它的任務(wù)是為用戶程序提供一個(gè)更好、更簡單、更清晰的計(jì)算機(jī)模型，并管理剛才提到的所有設(shè)備。

用戶與操作系統(tǒng)交互的程序，基于文本的通常稱為shell，而基于圖標(biāo)的則稱為圖形用戶界面(GUI),它們實(shí)際上并不是操作系統(tǒng)的一部分，盡管這些程序使用操作系統(tǒng)來完成工作。

下圖給出了這里所討論的主要部件的一個(gè)簡化視圖。圖的底部是硬件。硬件包括芯片、電路板、磁盤、鍵盤、顯示器以及類似的設(shè)備。在硬件的頂部是軟件。多數(shù)計(jì)算機(jī)有兩種運(yùn)行模式：內(nèi)核態(tài)和用戶態(tài)。軟件中最基礎(chǔ)的部分是操作系統(tǒng)，它運(yùn)行在內(nèi)核態(tài)（也稱為管態(tài)，核心態(tài)）。在這個(gè)模式中，操作系統(tǒng)具有對所有硬件的完全訪問權(quán)，可以執(zhí)行機(jī)器能夠運(yùn)行的任何指令。軟件的其余部分運(yùn)行在用戶態(tài)下。 在用戶態(tài)下，只使用了機(jī)器指令中的一個(gè)子集。特別地，那些會(huì)影響機(jī)器的控制或可進(jìn)行I/O操作的指令，在用戶臺中的程序里是禁止的。在本書中，我們會(huì)不斷討論內(nèi)核態(tài)和用戶態(tài)之間的差別，這些差別在操作系統(tǒng)的運(yùn)行中扮演著極其重要的角色。

1.1 什么是操作系統(tǒng)

作為擴(kuò)展機(jī)器的操作系統(tǒng)
作為資源管理者的操作系統(tǒng)

1.2操作系統(tǒng)歷史

第一代：真空管和穿孔卡片(1945-1955)
第二代：晶體管和批處理系統(tǒng)(1955-1965)
第三代:集成電路和多道程序設(shè)計(jì)(1965-1980)
第四代：個(gè)人計(jì)算機(jī)(1980至今)
第五代：移動(dòng)計(jì)算機(jī)(1990至今)

1.3計(jì)算機(jī)硬件簡介

從概念上講，一臺簡單的個(gè)人計(jì)算機(jī)可以抽象成類似于下圖的模型。CPU、內(nèi)存以及I/O設(shè)備都由一條系統(tǒng)總線連接起來并通過總線與其他設(shè)備通信。

1.3.1處理器

計(jì)算機(jī)的“大腦”是CPU，它從內(nèi)存中取出指令并執(zhí)行之。在每個(gè)CPU基本周期中，首先從內(nèi)存中取出指令，解碼以確定其類型和操作數(shù)，接著執(zhí)行之，然后取指、解碼并執(zhí)行下一條指令。按照這一方式，程序被執(zhí)行完成。

每個(gè)CPU都有一套可執(zhí)行的專門指令集。所以，x86處理器不能執(zhí)行ARM程序，而ARM處理器也不能執(zhí)行x86程序。由于用來訪問內(nèi)存以得到指令或數(shù)據(jù)的時(shí)間要比執(zhí)行指令花費(fèi)的時(shí)間長得多，因此，所有的CPU內(nèi)都會(huì)有一些用來保存關(guān)鍵變量和臨時(shí)數(shù)據(jù)的寄存器。這樣，通常在指令集中提供一些指令，用以講一個(gè)字從內(nèi)存調(diào)入寄存器，以及將一個(gè)字從寄存器存入內(nèi)存。其他的指令可以把來自寄存器、內(nèi)存的操作數(shù)組合，或者用兩者產(chǎn)生一個(gè)結(jié)果，如將兩個(gè)字相加并把結(jié)果存在寄存器或內(nèi)存中。

除了用來保存變量和臨時(shí)結(jié)果的通用寄存器外，多數(shù)計(jì)算機(jī)還有一些對程序員可見的專用寄存器。其中之一是程序寄存器，它保存了將要取出的下一條指令的內(nèi)存地址。在指令取出之后，程序計(jì)數(shù)器就被更新以便指向后繼的指令。

另一個(gè)寄存器是堆棧指針，它指向內(nèi)存中當(dāng)前棧的頂端。該棧包含了每個(gè)執(zhí)行過程的棧幀。一個(gè)過程的棧幀保存了有關(guān)的輸入?yún)?shù)、局部變量以及那些沒有保存在寄存器中的臨時(shí)變量。

當(dāng)然還有程序狀態(tài)字(Program Status Word,PSW) 寄存器。這個(gè)寄存器包含了條件碼位(由比較指令設(shè)置)、CPU優(yōu)先級、模式（用戶態(tài)或內(nèi)核態(tài)），以及各種其他控制位。用戶程序通常讀入整個(gè)PSW,但是，只對其中的少量字段寫入。在系統(tǒng)調(diào)用和I/O中，PSW的作用很重要。

操作系統(tǒng)必須知曉所有的寄存器。在時(shí)間多路復(fù)用(time multiplexing)CPU中，操作系統(tǒng)經(jīng)常會(huì)中止正在運(yùn)行的某個(gè)程序并啟動(dòng)（或再啟動(dòng)）另一個(gè)程序。每次停止一個(gè)運(yùn)營著的程序時(shí)，操作系統(tǒng)必須保存所有的寄存器值，這樣在稍后該程序被再次運(yùn)行時(shí)，可以把這些寄存器重新裝入。

為了改善性能，CPU設(shè)計(jì)師早就放棄了同時(shí)讀取、解碼和執(zhí)行一條指令的簡單模型。許多現(xiàn)代CPU具有同時(shí)取出多條指令的機(jī)制。例如，一個(gè)CPU可以有單獨(dú)的取指單元、解碼單元和執(zhí)行單元，于是當(dāng)它執(zhí)行指令n時(shí)，還可以對指令n+1解碼，并且讀取指令n+2. 這樣的機(jī)制稱為流水線(pipeline) ，下圖a是一個(gè)有著三個(gè)階段的流水線示意圖。更長的流水線也是常見的。
在多數(shù)的流水線設(shè)計(jì)中，一旦一條指令被取進(jìn)流水線中，它就必須被執(zhí)行完畢，即便前一條取出的指令是條件轉(zhuǎn)移，它也必須被執(zhí)行完畢。

比流水線更先進(jìn)的設(shè)計(jì)是超標(biāo)量CPU，如圖b所示。在這種設(shè)計(jì)中，有多個(gè)執(zhí)行單元，例如，一個(gè)CPU用于整數(shù)算數(shù)運(yùn)算，一個(gè)CPU用于浮點(diǎn)算術(shù)運(yùn)算，一個(gè)CPU用于布爾運(yùn)算。兩個(gè)或更多的指令被同時(shí)取出、解碼并裝入暫存緩沖區(qū)中，直至它們執(zhí)行完畢。只要有一個(gè)執(zhí)行單元空閑，就檢查保持緩沖區(qū)中是否還有可處理的指令，如果有，就把指令從緩沖區(qū)中移出并執(zhí)行之。這種設(shè)計(jì)存在一種隱含的作用，即程序的指令經(jīng)常不按順序執(zhí)行。在多數(shù)情況下，硬件負(fù)責(zé)保證這種運(yùn)算的結(jié)果與順序執(zhí)行指令時(shí)的結(jié)果相同，但是，仍然有部分令人煩惱的復(fù)雜情形被強(qiáng)加給操作系統(tǒng)處理，我們會(huì)在后面討論這種情況。

除了用在嵌入式系統(tǒng)中的非常簡單的CPU之外，多數(shù)CPU都有兩種模式，即前面提到的內(nèi)核態(tài)和用戶態(tài)。通常，在PSW中有一個(gè)二進(jìn)制位控制這兩種模式。當(dāng)在內(nèi)核態(tài)運(yùn)行時(shí)，CPU可以執(zhí)行指令集中的每一條指令，并且使用硬件的每種功能。在臺式機(jī)和服務(wù)器上，操作系統(tǒng)在內(nèi)核態(tài)下運(yùn)行，從而可以訪問整個(gè)硬件。而在大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)中，一部分操作系統(tǒng)運(yùn)行在內(nèi)核態(tài)，其余的部分則運(yùn)行在用戶態(tài)。

相反，用戶程序在用戶態(tài)下執(zhí)行，僅允許執(zhí)行整個(gè)指令集的一個(gè)子集和訪問所有功能的一個(gè)子集。一般而言，在用戶態(tài)中有關(guān)I/O和內(nèi)存保護(hù)的所有指令是禁止的。當(dāng)然，將PSW中的模式位設(shè)置成內(nèi)核態(tài)也是禁止的。

為了從操作系統(tǒng)中獲得服務(wù)，用戶程序必須使用系統(tǒng)調(diào)用(system call) 以陷入內(nèi)核并調(diào)用操作系統(tǒng)。TRAP指令把用戶態(tài)切換成內(nèi)核態(tài)，并啟用操作系統(tǒng)。當(dāng)有關(guān)工作完成之后，在系統(tǒng)調(diào)用后面的指令把控制權(quán)返回給用戶程序。到目前為止，請讀者把它看成一個(gè)特別的過程調(diào)用指令，該指令具有從用戶態(tài)切換到內(nèi)核態(tài)的特別能力。

有必要指出的是，計(jì)算機(jī)使用陷阱而不是一條指令來執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用。其他的多數(shù)陷阱是由硬件引起的，用于警告有異常情況發(fā)生，如試圖被零除或浮點(diǎn)下溢等。在所有的情況下，操作系統(tǒng)都得到控制權(quán)并決定如何處理異常情況。有時(shí)，由于出錯(cuò)的原因，程序不得不停止。在其他情況下可以忽略出錯(cuò)（如下溢數(shù)可以被置為零）。

多線程和多核芯片

Moore定律指出，芯片中晶體管的數(shù)量每18個(gè)月翻一番。Moore定律已經(jīng)保持了30年，有希望至少再保持10年。在那以后，每個(gè)晶體管中原子的數(shù)目會(huì)變得太少，并且量子力學(xué)將扮演重要角色，這將阻止晶體管尺寸的進(jìn)一步縮小。

使用大量的晶體管引發(fā)了一個(gè)問題：如何處理它們呢？ 這里我們可以看到一種處理方式：具有多個(gè)功能部件的超標(biāo)量體系結(jié)構(gòu)。 但是，隨著晶體管數(shù)量的增加，再多晶體管也是可能的。一個(gè)由此而來的必然結(jié)果是，在CPU芯片中加入了更大的緩存，人們肯定會(huì)這么做，然而，原先獲得的有用效果將最終消失。

顯然，下一步不僅是由多個(gè)功能部件，某些控制邏輯也會(huì)出現(xiàn)多個(gè)。 Intel Pentium 4 引入了被稱為==多線程(Multithreading)或超線程(hyperthreading)==的特性。近似地說，多線程允許CPU保持兩個(gè)不同的線程狀態(tài)，然后在納秒級的時(shí)間尺度內(nèi)來回切換。(線程是一個(gè)輕量級進(jìn)程，即一個(gè)運(yùn)行中的程序。將在第2中討論。)例如，如果某個(gè)進(jìn)程需要從內(nèi)存中讀出一個(gè)字（需要花費(fèi)多個(gè)時(shí)鐘周期），多線程CPU則可以切換至另一個(gè)線程。多線程不提供真正的并行處理。在一個(gè)時(shí)刻只有一個(gè)進(jìn)程在運(yùn)行，但是線程的切換時(shí)間則減少到納秒數(shù)量級。

1.3.2存儲(chǔ)器

1.3.3磁盤

1.3.4I/O設(shè)備

1.3.5總線

1.3.6啟動(dòng)計(jì)算機(jī)

1.4操作系統(tǒng)大觀園

大型機(jī)操作系統(tǒng)
服務(wù)器操作系統(tǒng)
多處理器操作系統(tǒng)
個(gè)人計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)
掌上計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)
嵌入式操作系統(tǒng)
傳感器節(jié)點(diǎn)操作系統(tǒng)
實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)
智能卡操作系統(tǒng)

1.5操作系統(tǒng)概念

進(jìn)程
地址空間
文件
輸入/輸出
保護(hù)
shell
個(gè)體重復(fù)系統(tǒng)發(fā)育

1.6系統(tǒng)調(diào)用

用于進(jìn)程管理的系統(tǒng)調(diào)用
用于文件管理的系統(tǒng)調(diào)用
用于目標(biāo)管理的系統(tǒng)調(diào)用
各種系統(tǒng)調(diào)用
Windows Win32 API

1.7操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

單體系統(tǒng)
層次式系統(tǒng)
微內(nèi)核
客戶端-服務(wù)器模式
虛擬機(jī)
外核

1.8依靠C的世界

C語言
頭文件
大型編程項(xiàng)目
運(yùn)行模型

《新程序員》：云原生和全面數(shù)字化實(shí)踐50位技術(shù)專家共同創(chuàng)作，文字、視頻、音頻交互閱讀

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的《现代操作系统》第1章读书笔记-- 引论（未完成）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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