现代操作系统(一)-

计算机系统是由处理器、主存、磁盘、i/o设备等等 组成。

而操作系统是一个软件，用于管理计算机系统。

与用户交互的 基于文本的称为shell 基于界面的称为GUI 但这些并不属于操作系统

这里的用户接口程序就是 我们的Shell(命令行)和GUI(window的桌面)

多数计算机有两种运行模式：内核态和用户态

操作系统运行在内核态中（也称为管态、核心态）

在这个模式中

操作系统对所有硬件具有完全访问权，可以运行任何计算机课执行的指令。

而其余软件运行在用户态，只使用了机器指令中的一个子集，比如一些i/o指令时禁止的。

操作系统与普通软件的主要区别是

普通软件你不喜欢可以更换，或写一个但操作系统却不能写，这是受硬件保护的。

但嵌入式(要求人心净化先要求人生美化是谁的名言？朱光潜，要求人心净化先要求人生美化是朱光潜的名言。朱光潜坚信情感比理智重要，要洗刷人心，并非几句道德家言所可了事，一定要从“怡情养性”做起，一定要用饱食暖衣、高官厚禄等等之外，别有较高尚、较纯洁的企求。)操作系统（它没有内核态）和解释系统（java的操作系统）除外。

linux与window的源代码有500万行，如果包括共享库，则应该有7000万行

一本书1000页，一页50行，也要100本书。基本就是一个书架。如果包括共享库起码要10-20个书架。所以，操作系统是大型、复杂、且长寿的。

寿命长是因为，一旦编写出来，所有者就不愿丢弃去在写一个。

什么是操作系统

它是在内核态运行的软件

操作系统有两个基本上的独立任务；为应用程序提供抽象、管理硬件资源

硬件为操作系统提供了丑陋的接口，而操作系统又为用户（应用程序）提供美丽的接口

操作系统的历史

从1945 第一代计算机： 真空管和穿孔卡片  到1955年 第二代 晶体管和批处理系统 到1965年 第三代集成电路和多道程序设计 到1980 第四代个人计算机 到1990年 第五代移动计算机

计算机硬件

现在的计算机都可看做这个模型（目前还是够用的）

操作系统扩展了计算机的指令集、它要做的是了解大量硬件  并了解硬件如何面对程序员，在这里简要了解一下硬件。

如需详细了解请查阅 Tanenbaum和Autiin（2012） Patterson和Hennessy（2013）

处理器

他的一生都在 从内存中取出指令，解码-确定其类型与操作数之中（取指，解码）每个CPU都有一套可执行的指令集（x86不能执行ARM程序 反过来也不行）

cpu内有个临时寄存器。由于取指比解码的时间长，所以就有处理临时数据的寄存器，这个临时寄存器在cpu内，有了这个临时寄存器就可以从内存读取到临时寄存器里，也可以将变量和结果保存在这个临时寄存器上，也可以从临时寄存器存入内存。

有个专用寄存器。他保存了下一个要读取指令的地址，指向下一个后续指令。

有一个堆栈指针寄存器。指向内存中栈的顶端，该栈包含每个指执行过程的栈帧。一个栈帧保存了有关的输入参数、局部变量、及没保存在寄存器中的临时变量。

有一个程序状态字（Program Status Word  （PSW））寄存器。保存着包含条件的码位，cpu优先级、模式，及各种其他控制位。

所有cpu有四个寄存器

临时寄存器 、专用寄存器、 堆栈指针寄存器 、程序状态字寄存器（PSW）

操作系统必须了解每一个寄存器

因为在多路复用（同时使用）的操作系统中，操作系统不停的启动关停程序

每关停一次，就必须知道这些寄存器运行到了哪里，等待启动继续运行

为了性能，设计师早就放弃了同时读取、解码、执行的简单模型。现在的cpu有单独的取指单元，取n指令时，可以对n+1指令解码，这样的机制称为流水线。

比流水线更厉害的是超标量cpu。这种机制在解码单元和执行单元之间添加了一个保持缓冲区，两旁有很多的执行单元，一旦有空闲的执行单元就立马检查缓冲区是否有可执行的指令。

前面说过，用户态运行下的程序只能执行cup整个指令集的子集，而这些都是由PSW一个二进制位控制，用户态下很多有关I/O和内存保护的所有指令的是禁止的

为了从操作系统中获取这些服务，用户程序必须使用系统调用(system call),在这里先把他看成是特殊的用户指令，是用户从用户态切换到内核态的能力

但是计算机使用陷阱来执行系统调用而非指令，其他多数陷阱是由硬件引起的，用来警告有异常情况的发生。

多线程与多核芯片

moore定律是芯片中的晶体管没18个月翻一倍。它已经保持了30年，有望再保持10年，这么多的晶体管的必然结果是，在cpu中加入了更大的缓存（后面解释），随后某种控制逻辑也会出现，比如多线程或超线程

多线程允许cpu保持两个不同的线程状态，然后再纳秒级的时间尺度来回切换。（线程是一种轻量级进程，后面解释）

多线程对操作系统是有益的，因为一个线程相当于单个cpu，对于实际只有两个cpu的操作系统来说，则相当于4个cpu。

除了多线程外，还有多核，就是一个多核芯片可以安放多小芯片，每个小芯片相当于cpu，目前最多的有60多个核，如Intel Xeon Phi等

但操作系统使用这类多核芯片，必须使用多处理器操作系统

论数量最多的没什么赢过GPU（显卡的组成部分）的，GPU是由成千上万个微核组成的处理器，擅长图形渲染，但不能胜任串行任务，且很难编程。GPU在加密及网络传输方面对操作系统很有用，但让他运行在GPU上就不太可能了。

存储器

任何一种计算机中，第二种主要部件都是存储器

理想的储存器应有三个目标

极为迅速，cpu不会受到储存器限制

充分大

非常便宜

但目前是无法同时满足着三个目标

顶层是存储器，寄存器在cpu中，没有时延，容量为 在32位CPU为32*32,64位中则64*64，其储存容量都小于1kb

下一层是高速缓存，当某个程序读取存储字时，先会检查高速缓存中是否有对应的字，是，则被称为高速缓存命中，就不需要通过主线去访问主存了，当高速缓存的价格昂贵，大小有限。

操作系统一直在使用缓存，避免重复地调取主存中的文件，以提高效率

缓存是一个好方法，在现代CPU中设计了两个缓存

第一级称为L1缓存，在CPU中，将以解码的指令调入cpu执行，无延迟

第二级称为L2缓存，在CPU外，用来存放使用过的内存字，有1-2个时钟周期延迟

再往下一层是主存，通常称为随机访问存储器（RAM）

除主存之外，还有一类 非易失性访问存储器

只读存储器（ROM） 闪存  电可擦除可编程存储器（EEPROM）

前一个在出厂时就已写好，不能被更改，后两个则可以被更改

还有易失的CMOS存储器 它靠一块小电池驱动保持时间和启动磁盘等配置，计算机

没上电也可更新时间