在《计算机组成与体系结构》——7操作系统支持就已经知道，操作系统并不是和计算机一起出现的产物，然后呢，OS的主要任务就是任务的调度和存储的管理！因此，在学习的时候，应该把重点放在进程的理解和文件的管理上。

• 1 引论
• 2 进程与线程
• 3 内存管理
• 4 文件系统
• 5 输入/输出
• 6 死锁

其他的章节（7-13）可以继续了解。

---

1.2 操作系统的历史

• 第一代（1945~1955）：真空管和穿孔卡片
  机器语言
• 第二代（1955~1965）：晶体管和批处理系统
  FORTRAN或汇编语言
• 第三代（1965~1980）：集成电路和多道程序设计
  IBM 360是第一个采用（小规模）集成电路的主流机型，与采用分立晶体管制造的第二代计算机相比，其性能/价格比有很大提高。在7094上0，若当前作业因等待磁带或其他I/O操作而暂停，CPU就只能简单地踏步直到该I/O完成。解决办法是将内存分为几个部分，每一部分存放不同的作业，当一个作业等待I/O操作完成时，另一个作业可以使用CPU。
• 第四代（1980年至今）：个人计算机
  x86代表所有使用指令集体系结构家族的现代处理器，这类处理器的源头可以追溯到20世纪70年代的8086芯片。
• 第五代（1990年至今）：移动计算机

1.3 计算机硬件简介

处理器

【图】
每个CPU都有一套可执行的专门指令集。所以，x86处理器不能执行ARM程序，而ARM处理器也不能执行x86程序。
除了用来保存变量和临时结果的通用寄存器外，多数计算机还有一些对程序员可见的专用寄存器，其中之一时程序计数器，它保存了将要取出的下一条指令的内存地址。在指令取出之后，程序计数器就被更新以便指向后继的指令。
另一个寄存器时堆栈指针，它指向内存中当前栈的顶端。该栈包含了每个执行过程的栈帧。一个过程的栈帧中保存了有关的输入参数、局部变量以及那些没有保存在寄存器的临时变量。
还有程序状态字（PSW）寄存器。这个寄存器包含了条件码位、CPU优先级、模式（用户态或内核态），以及各种其他控制位。用户程序通常突入整个PSW，但是，只对其中的少量字段写入。在系统调用和I/O中，PSW的作用很重要。

流水线与超标量：在超变量中，有多个执行单元，而不是单个流水线。

多数CPU都有两种模式，内核态和用户态。
用户在用户态下运行，仅允许执行整个指令集的一个子集和访问所有功能的一个子集。以搬而言，在用户态中有关I/O和内存保护的所有指令是禁止的。当然，将PSW中的模式位设置成内核态也是禁止的。为了从操作系统中获得服务，用户程序必须使用系统调用以陷入内核并调用操作系统。

两种架构的4核芯片.png

多线程和多核芯片
多线程允许CPU保持两个不同的线程状态，然后在纳秒级的时间尺度内来回切换。多线程并不是真正的并行处理！在一个时刻只有一个进程在运行，但是线程的切换时间则减少那纳秒的数量级。
除了多线程，还出现了包含2个或4个完整处理其或内核的CPU芯片。
核心数量更多的GPU，它们擅长处理大量并行的简单计算，比如在图像应用中渲染多边形，它们不太能圣人串行任务，并且很难编程。虽然GPU对操作系统很有用，但操作系统本身不太可能运行在GPU上。

存储器

典型的存储层次结构.png

寄存器与CPU相同的材料制成，所以和CPU一样快。其典型的存储容量是，在32位CPU中为32*32位，而在6位CPU中为64*64位（1KB）。

高速缓存，它多数由硬件控制。主存被分割成高速缓存行，其典型大小为64字节。当某一个程序需要读一个存储字时，高速缓存硬件检查所需要的高速缓存行是否在高速缓存中。如果是，称为高速缓存命中，缓存满足了请求，就不需要通过总线把访问请求送往主存。高速缓存命中通常需要两个时钟周期（cycle）。

L1缓存用来存储已解码的指令，它总是在CPU内部，多数芯片安排由第二个L1缓存，用来存储那些频繁使用的数据字。另外，往往还设计由第二级缓存，用来存放进来使用过的若干兆字节的内存字。两个级别的缓存差别在于，对L1缓存的访问，不存在任何延时；而对L2缓存的访问会延时1或2个时钟周期。

主存（RAM），P.S.也就是我们说的内存。

4核芯片.png

只读存储器（ROM），用于启动计算机的引导加载模块就放在ROM中。

另外，还有最新出现的闪存，它也是非易失性的，但是可以擦除和重写。它的性能介于主存和磁盘之间。
CMOS存储器，用于保持当前时间和日期。它由一块小电池驱动，即使电脑没有上电，时间仍然可以正确更新。之所以采用CMOS是因为它消耗的电能非常少。

磁盘

机械臂从一个柱面移到相邻的柱面大约需要1ms。而随机一道一个柱面的典型时间为5ms-10ms，其具体时间取决于驱动器。一旦磁臂到达正确的磁道上，驱动器必须等待所需的扇区旋转到磁头之下，这就增加了5ms-10ms的时延，其具体时延取决于驱动器的转速。

所以整个时延=寻道时延+旋转时延+读（写）时延

与磁盘有点类似的是固态硬盘，它的存储介质是闪存。

虚拟内存机制：有时我们需要把程序放到磁盘上，而将主存作为一种缓存，用来保存最频繁使用的部分程序。这时需要快速地映像内存地址，以便把程序生成的地址转换为有关字节在RAM中的物理地址。该映射由CPU中的一个称为存储器管理单元（MMU）的部件来完成。

I/O设备

I/O设备一般包括两个部分：设备控制器和设备本身。SATA（Serial ATA，串行高级技术附件）磁盘控制器可以适配任何一种SATA磁盘。
专门与控制器对话，发出命令并接收相应的软件，称为设备驱动程序。一般情况下，必须把设备驱动程序装入操作系统中，这样它可在核心态运行。（具体的装入方式和中断处理请看书1.3.4 p17。）

总线

一个大型x86系统的结构.png

在传统的PCI总线上，一个32位数据通过32条并行的导线发送。与之相反，PCIe使用串行总线架构，通过一条被称为数据链路传递集合了所有位的一条消息，这非常像网络包。
USB：集中式总线，其根设备没1ms轮询一次I/O设备，看是否有信息收发。

1.5 操作系统概念

时刻记得：操作系统的两个任务，任务调度和文件管理。

文件

进程和文件层次都可以组织成树状结构，但这两种树状结构有不少不同之处。一般进程的树状结构层次不深（很少超过三层），而文件的树状结构常常多达四层、五层或更多层。进程树层次结构是暂时的，通常最多存在几分钟，而目录层次则可能存在数年之久。

在读写文件之前，首先要打开文件，检查其访问权限。若权限许可，系统会返回一个小整数，称作文件描述符，供后续操作使用。若禁止访问，系统则返回一个错误码。

本小节讨论的最后一个特性既与进程有关也与文件有关：管道。管道（pipe）是一种虚文件，它可以连接两个进程。当进程A想对进程B发送数据时，它把数据写到管道上，仿佛管道就是输出文件一样。

由管道连接的两个进程.png

保护

UNIX操作系统通过对每个为念赋予一个9位的二进制保护码，对UNIX中的文件实现保护。该保护代码有3个字段，一个用于所有者，一个用于所有者同组的其他成员，一个用于其他人。这些位就是知名的rwx位。对于一个目录来说，x的含义是允许查询。

shell

操作系统是进行系统调用的代码。shell本身不是操作系统的一部分，但它体现了许多操作系统的特性，并很好地说明了系统调用的具体用法。

用户登陆时，同时启动了一个shell。它以终端作为标准输入和标准输出。首先显示提示符（如$），提示用户shell正在等待接收命令。假如用户键入
$ date

shell创建一个子进程，并运行date程序作为子进程。在该子进程运行期间，shell等待它结束。在子进程结束后，shell再次显示提示符，并等待下一行输入。

现在，许多个人计算机使用GUI。事实上，GUI与shell类似，GUI只是运行在操作系统顶部的程序。

1.6 系统调用

记住下列事项是有益的。任何单CPU计算机一次只能执行一条指令。如果一个进程正在用户态运行一个用户程序，并且需要一个系统服务，比如从一个文件读数据，那么它就必须执行一个陷阱或系统调用指令，将控制转移到操作系统。操作系统接着通过参数检查找出所需要的调用进程。然后，它执行系统调用，并把控制返回给在系统调用后面跟随的指令。

用于进程管理的系统调用

在UNIX中的进程将其存储空间划分为三段：正文段（如程序代码）、数据段（如变量）以及堆栈。数据向上增长而堆栈向下增长。

进程.png

用于文件管理的系统调用

• open 打开一个文件
• close 关闭文件
• read 读
• write 写
• lseek 移动文件指针
• stat 返回文件信息

用于目录管理的系统调用

• mkdir
• rmdir
• link 允许同一个文件以两个或多个名称出现
• mount 允许将两个文件系统合并为一个

各种系统调用

• chdir
• chmod 改变文件的权限
• kill
• time 以秒为单位返回当前时间

---

习题

10. 内核态和用户态有哪些区别？
    答：大多数现代CPU提供两种执行模式：内核态和用户态。 CPU可以执行其指令集中的每条指令，并在内核态下执行时使用硬件的各种功能。 但是用户态只能执行部分指令，执行时仅使用部分功能。追yi流年
    把操作系统的核心功能放在内核态，保证系统可以稳健运行，而其他功能放在用户态，方便调用而且不容易造成系统的崩溃。

x. 陷阱指令、中断和异常的区别？
答：操作系统中陷阱，中断和异常的区别