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发布于 2026-03-21 / 4 阅读
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操作系统导学

#Note

什么是操作系统

随处可见的电子设备

所有设备都有操作系统

  • 智能手机、平板电脑、智能手表、智能汽车

  • 物联网设备

  • 机器人

  • 洗衣机、微波炉

  • 我们关心的是：计算机操作系统

  • 由硬件软件数据组成

    • 硬件：CPU、内存条（主存）、硬盘（外存）、键盘鼠标（IO设备）

    • 软件：小而美、丘丘

  • 用户

  • 应用程序

  • 系统程序

  • 操作系统（对下面对的是硬件，对上面对的是软件）

  • 电脑硬件

INTERFACE 接口，是链接两个物体的便捷，通过这个界面，两边可以很好地对话。

  • 硬件-硬件：USB接口、vga、hdmi、dp、pcie、雷劈接口

  • 软件-硬件：Instructions指令集，软件使用指令集达到操作硬件的目的

  • 软件-软件：Application Programing interface，简称API。

VIRTUAL MACHINE

操作系统向用户提供一个容易理解和使用的“计算机”，虚拟的。用户对这个计算机的操作都被操作系统转换成对计算机硬件的操作。

Application

Operating System

Hardware

Application和Operating System之间有 Virtual Machine Interface 虚拟机接口

Operating System 和 Hardware 之间有 Physical Machine Interface 物理机接口

应用程序想使用硬件的时候，操作系统提供Virtual Machine，操作系统接收到软件对虚拟接口的操作后，会转化成机器码对物理接口进行操作。

由于软件的复杂性，直接操控硬件实现会非常麻烦。所以有了操作系统作为中介，软件根据操作系统给的虚拟机接口设计，然后再由操作系统转化成难以记忆的复杂的机器码交给硬件。

操作系统能做到什么

  1. 从用户的角度

    1. 提供良好的用户界面

    2. 标准的函数库

    3. programing更加方便不易出错

  2. 从系统的角度

    1. 管理资源

      1. 硬件资源（处理器、存储、IO）

      2. 信息资源（data）

    2. 解决申请资源时产生的冲突

    3. 阻止错误的产生核对计算机不正当的使用

操作系统扮演了计算机用户和计算机硬件之间的中间人。

操作系统的目标是提供一个环境，为用户以一种很快速和方便的方式执行程序。

操作系统是以软件的程序管理计算机的硬件。

计算机系统组成

所有的数据从总线当中流动，所有的数据都先到内存。所有的指令最终都经过CPU。

操作系统在哪？

HARD DISK 硬盘

  • 盘片 platter，绕主轴高速旋转：磁性数据载体，分单双面

    • 磁道：能被磁头访问的一组同心圆

    • 扇区：数据存放的基本单位，是一个个短圆弧

    • 柱面：所有盘片相同磁道构成的立体面

      • 磁头+磁道

  • 主轴 spindle：

  • 磁臂 actuator arm

  • 磁头 head，读写磁数据

磁盘如何工作？

  1. 磁臂移动到指定的圈道

  2. 等到要访问的数据点旋转到磁头下方

  3. 读写操作：

    1. 读：将从硬盘上读到的磁性转化0或1

    2. 写：将0或1转化成相应的磁性写入磁盘

盘片以及磁头不止一个。

主引导扇区

硬盘的0柱面，0磁头，1扇区称为主引导扇区，在这扇区存放着一段代码：MBR，它用于硬盘启动时将系统控制权交给用户指定的、在分区表登记了某个操作系统分区。

MBR内容在硬盘分区的时候由分区软件写入该扇区，MBR不属于任何操作系统，不随着操作系统的不同而不同，及时不同，也不会夹带操作系统的性质，具有公共引导的性质。

BOOTSTRAP（自己把自己拉起来）

  1. 打开电源

  2. cpu将控制权交给bios

  3. bios运行一个程序：通电自测试程序

  4. bios确认所有外部设备：硬盘或扩充卡

  5. bios找到磁盘的引导区，将其中的主引导程序bootloader装入内存

  6. 引导操作系统结束，操作系统接管计算机

中断

当有事件发生时，cpu会收到一个中断信号，可以是硬中断也可以是软件中断。

cpu会停下正在做的事，转而执行中断处理程序，执行完毕后会回到之前被中断的地方继续执行。

操作系统是一个以中断为驱动的系统。

存储系统

CPU负责将instruction从memory读入，所以程序必须在内存中才能运行。

内存以字节为单位，每个字节都有一个地址与之对应。通过load/store指令即可访问指定地址的内存

load：内存数据装入寄存器

store：寄存器数据写入内存

存储层次

  1. 寄存器

  2. 缓存

  3. 内存

  4. SSD

  5. 磁盘

  6. 光盘

  7. 磁带

由上至下存储容量越来越大，从上至下读写速度越来越慢。123是易失性存储。

IO结构

存储器只是众多io设备的一种，io设备是计算机体系结构中种类最丰富的设备类型，而且他又很强的扩展性。

管理IO设备是操作系统中非常重要的部分，操作系统有一个专门的IO子系统负责完成这项工作。

计算机系统体系结构

单处理器系统

  1. 只有一颗主CPU，执行通用指令集。

  2. 带有其他专用处理器，为特定设备服务：磁盘、键盘、图形控制器。

    1. 他们能够执行的指令有限，不处理用户进程。

    2. 操作系统会向他们发出任务，并监控他们的状态。

多处理器系统

  1. 两个或多个紧密通信的CPU，共享计算机总线时钟内存外设。

    1. 非对称处理

    2. 对称处理 SMP，独立缓存。

集群系统

  1. 通过网络连接一起，每个节点可以为单处理器或多处理器系统，节点之间是松耦合关系

    1. 高可用性

    2. 高性能计算

操作系统结构

单用户单道模式

输入500个字符（78ms），CPU处理52ms后，结果2000个字符存到磁带上20ms，重复进行。

CPU利用率=52/(78+52+20)

多道程序设计

操作系统拥有的能力

单道程序不能让cpu和io设备始终忙碌，多道程序设计通过安排任务使用cpu总有一个执行任务，提高cpu利用率

硬件保证：处理器和io设备具备并行工作的能力

分时系统

  1. 多任务系统

  2. 允许多用户共享一台计算机

    1. 用户只有IO设备

    2. 分时系统为用户轮流分配等量的CPU时间

    3. 用户从发出指令到得到即时结果的时间成为响应时间

  3. 第一个分时系统CTSS由MIT于1962年开发出来

死亡预告

  1. 处理器调度

  2. swap

  3. virtual memory

  4. 磁盘管理

  5. 同步

  6. 死锁

  7. ......

Hello Halo

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