引言
計算機系統(tǒng)總的來說分為軟件和硬件，如下圖所示。多數(shù)計算機有兩種運行模式：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)， 它運行在內(nèi)核態(tài)。操作系統(tǒng)具有對所有硬件的完全訪問權(quán)限，可以執(zhí)行機器能夠運行的任何指令。 其他軟件運行在用戶態(tài)，只能使用部分機器指令。特別指出，哪些會影響極其的控制或可進行I/O操作的指令，在用戶態(tài)中的程序是禁止的。 無法直接運行指令，則只能通過操作系統(tǒng)提供的接口來達到目的。
操作系統(tǒng)由硬件進行保護，防止用戶試圖對其進行修改。
大家都操作過Windows、Linux等操作系統(tǒng)，感覺這是不是就是操作系統(tǒng)？ 這些與用戶交互的程序，實際上并不是操作系統(tǒng)的一部分，經(jīng)它們使用操作系統(tǒng)來完成工作，基于圖標的稱為圖形用戶界面（GUI, Graphical User Interface）,我們所用的Windows就是這種，可以看到各種圖標； 基于文本的則通常稱為shell， 比如我們在Windows中使用cmd命令， 或者在Ubuntu中是Xshell等軟件程序。
不過，在嵌入式系統(tǒng)（沒有內(nèi)核態(tài)）或解釋系統(tǒng)（如基于Java的操作系統(tǒng)，它采用解釋方式，而非硬件方式區(qū)分組件）， 上述劃分的邊界是比較模糊的。
1.1 什么是操作系統(tǒng)
操作系統(tǒng)是一種運行在內(nèi)核態(tài)的軟件，但這個說法并不總符合事實， 不過操作系統(tǒng)概括起來主要有兩個作用：
1.為應用程序（程序員）提供資源集的清晰抽象
2.管理硬件資源
第二點好理解， 第一點用大白話說就是給上層提供相應的接口或者方法， 讓上層應用程序可以使用資源。
另外，對于操作系統(tǒng)的理解，從不同角度看的，有不同的定義，
自頂向下看：操作系統(tǒng)為應用程序提供基本抽象，從而使應用程序在此基礎(chǔ)上可以組合功能。也就是說操作系統(tǒng)給應用程序提供良好、清晰、優(yōu)雅、一致的接口。（操作系統(tǒng)的實際用戶是應用程序，當然是通過應用程序員）應用程序直接和操作系統(tǒng)提供的這些接口打交道。
自底向上看：操作系統(tǒng)用來管理復雜系統(tǒng)的各個部分，對資源的請求進行分配，調(diào)節(jié)不同程序見相互沖突的資源請求。其中， 資源的管理有兩種不同方式實現(xiàn)多路復用（共享）資源：時間上復用和空間上復用：
時間上復用：當一種資源在時間上復用時，就是不同程序或者用戶輪流使用它，大家排隊使用。例如：若在操作系統(tǒng)上只有一個CPU，而多個程序需要在CPU上運行，操作系統(tǒng)則首先把該CPU分配給某個程序，在它運行足夠長的時間后，另外一個程序進入CPU，以此類推
空間上復用：每個程序都得到資源的一部分，就不用排隊了，這就是多個位置，一人坐一個。例如：通常在若干個運行程序之間分配內(nèi)存，這樣每個運行程序都可以同時駐入內(nèi)存，這樣就提高了CPU的效率
以上兩種方式的公平和保護問題，由操作系統(tǒng)解決
1.2 操作系統(tǒng)的歷史
1.3 計算機硬件簡介
以下是一個常見的個人計算機構(gòu)成
處理器
處理器是計算機最重要的部分，就相當于人的大腦一樣，它會從計算機的內(nèi)存中取出指令去執(zhí)行。
在每個CPU基本周期中首先從內(nèi)存中取出指令，然后進行解碼分析指令的類型和操作數(shù)，然后再去執(zhí)行，以此類推。程序按照這種方式被執(zhí)行完成。
每一個CPU都有一套自己的指令集，所以x86不能執(zhí)行ARM程序，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)的時間要比執(zhí)行指令花費的時間長度的多，所以CPU內(nèi)部都有一些用來保存關(guān)鍵變量和臨時數(shù)據(jù)的寄存器。這樣，通常在指令集中可以提供一些將寄存器中的數(shù)據(jù)調(diào)入內(nèi)存的指令。除了一些用來保存臨時結(jié)果和變量的通用寄存器之外，還有一些只對程序員可見的專用寄存器。
專用寄存器的分類：
程序計數(shù)器：它保存了將要取出的下一條指令的內(nèi)存地址，在指令取出后，程序計數(shù)器就被更新指向后繼的指令。
堆棧指針：它指向當前內(nèi)存的棧頂位置，在函數(shù)調(diào)用中，棧的作用有：參數(shù)傳遞、局部變量分配、保存調(diào)用的返回地址、保存寄存器狀態(tài)以供恢復。棧由棧幀(stack Frame)組成。一次函數(shù)調(diào)用包括將數(shù)據(jù)和控制從代碼的一個部分傳遞到另外一個部分，棧幀與某個過程調(diào)用一一映射。每個函數(shù)的每次調(diào)用，都有它自己獨立的一個棧幀，這個棧幀中維持著所需要的各種信息。
程序狀態(tài)字寄存器：這個寄存器包含了條件碼位、CPU優(yōu)先級、模式（用戶態(tài)或者內(nèi)核態(tài)），以及其他控制位
對操作系統(tǒng)來說，它必須知道所有的寄存器。在時間共享CPU中，操作系統(tǒng)經(jīng)常會終止正在運行的某個程序啟動另外一個程序，當操作系統(tǒng)去終止某個程序的時候，必須將這個程序中的所有寄存器值保存起來，以便再次啟動該程序時，可以把這些寄存器重新裝載。
現(xiàn)代CPU的讀取指令機制：
流水線機制：一個CPU可以有單獨的取指單元、解碼單元和執(zhí)行單元，于是當他執(zhí)行指令n的時候，還可以對指令n+1解碼，并且讀取指令n+2。
超標量CPU：這種機制中有多個執(zhí)行單元，例如：一個CPU用于整數(shù)算數(shù)運算，一個CPU用于浮點數(shù)算數(shù)運算，一個CPU用于布爾運算。兩個或更多的指令同時被取出、解碼并裝入暫存緩沖區(qū)中直到它們執(zhí)行完畢。只要有一個執(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。這種設計存在一種隱含的作用，即程序的指令經(jīng)常不會按照順序執(zhí)行。
CPU模式的切換
可以通過TRAP指令將用戶態(tài)切換成內(nèi)核態(tài)，并啟用操作系統(tǒng)。當在工作完成之后，在系統(tǒng)調(diào)用后面的指令把控制權(quán)返回給用戶程序。
超線程和多核技術(shù)參見深入理解計算機第一章內(nèi)容
存儲器
存儲器是計算機第二重要的器件，存儲器是采用一種分層的結(jié)構(gòu)，頂層的存儲器速度較高，容量較小，與底層的存儲器相比每位成本較高，其差別往往是十億數(shù)量級。
- 寄存器：和CPU一樣快，32為CPU中容量為32位，64位CPU中為64位，小于1KB
- 高速緩存：由硬件控制。主存被分割成高速緩存行，大小為64字節(jié)，地址0至63對應高速緩存行0,地址64至127對應高速緩存行1，以此類推。下面詳細介紹：
- L1緩存：一般與處理器同片封裝，訪問速度幾乎和寄存器一樣快，用來將已解碼的指令調(diào)入CPU的執(zhí)行引擎，通常是2-4個時鐘周期，大小為8KB-128KB
- L2緩存：可以在處理器中也可以在外部，訪問速度大約是是10個時鐘周期，大小為64KB-8MB
- L3緩存：在處理器外部被多核處理器共享，訪問速度大約是30～40個時鐘周期，大小為4MB-128MB
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在多核芯片中，L2緩存是否被所有
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- 主存：系統(tǒng)存儲的主力。通常稱主存為隨機訪問存儲器（RAM）
- 磁盤：磁盤是一種機械裝置，因此在磁盤上隨機訪問數(shù)據(jù)時會較慢。但是容量較大。
