第 1 章 导论

Posted 2021-03-18 astonc

 操作系统（operating system）是管理计算机硬件的程序，为应用程序提供基础，并且充当计算机用户和硬件的中介。

1.1 操作系统的功能

　　计算机系统可粗分为四个组件：硬件、操作系统、应用程序、用户。

　　操作系统是一直运行在计算机上的程序（通常称为内核）。除了内核外，还有系统程序（与系统的运行有关，但不是内核的一部分）和应用程序（与系统运行无关）。

1.1.1 用户视角

　　操作系统设计的主要目的是使用方便，次要的是性能，不在乎的是资源利用。

1.1.2 系统视角

　　操作系统可看作是资源分配器和控制程序。

1.2 操作系统的组成

1.2.1 计算机系统的运行

　　当计算机电源打开或重启时，需要运行一个初始程序或引导程序，一般位于计算机的固件中（如ROM、电可擦可编程EEPROM）。它初始化系统的各个组件，从CPU寄存器、设备控制器到内存内容。引导程序必须定位操作系统内核并加载到内存。

　　一旦内核加载到内存并执行，它就开始为系统和用户提供服务。除了内核外，系统程序在启动时加到内存而成为系统进程或系统后台程序，其生命周期和内核一样。

　　事件发生通常通过硬件和软件的中断来通知。硬件可以随时通过系统总线发送信号到CPU以触发中断。软件也可以执行系统调用以触发中断。

　　当CPU被中断时，停止正在做的事，并立即转到固定位置再继续执行。该固定位置通常包含中断服务程序的开始地址。中断服务程序开始执行，在执行完毕之后，CPU重新执行被中断的计算。

　　中断的处理应当快捷。由于只有少量预先定义的中断，所有可以通过中断处理程序的指针表来提高速度。通常指针表位于低地址内存。这些位置包含各种设备的中断处理程序的地址。这种地址的数组或中断向量，对于任一给定的中断请求，可通过唯一的设备号来索引，进而提供设备的中断处理程序的地址。

1.2.2 存储结构

　　CPU只能从内存中加载指令，因此执行程序必须位于内存中。大多数程序通常位于可读写内存中，称为内存（main memory），也称随机访问（访问任何位置时间一致）内存（RAM），内存通常为动态随机访问内存（DRAM），采用半导体技术实现。

　　所有形式的内存都提供字节数组，每个字节都有地址。

　　在冯·诺依曼体系结构上执行时，一个典型的指令周期是，首先从内存中获取指令，并存到指令寄存器。接着该指令被解码，也可能会从内存中获取操作数据并存到内部寄存器。在指令完成对数据的执行后，结构也可能存到内存。

　　内存容量通常太少且是易失性的存储设备，掉电会失去所有内容。因此大部分计算机提供外存。

1.2.3 I/O结构

　　计算机系统由一个CPU和多个设备控制器组成，通过共同的总线连在一起。每个设备管理器管理某一特定类型的设备。操作系统为每个设备控制器都提供了一个设备驱动程序。

1.3 计算机系统的体系结构

　　单处理器系统：只要一个主CPU，带有其他专用处理器（不执行用户进程）；

　　多处理器系统（并行系统/多核系统）：优点是增加吞吐量、规模经济、增加可靠性；

　　集群系统：由两个以上的独立系统组成，共享存储并采用LAN或更快的连接。

1.4 操作系统的结构

　　操作系统最重要的一点是具有多道程序能力。多道程序设计通过安排作业使得CPU总有一个执行作业，从而提高CPU的利用率。