計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是由處理器、主存、磁盤、i/o設(shè)備等等 組成。
而操作系統(tǒng)是一個(gè)軟件，用于管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。
與用戶交互的 基于文本的稱為shell 基于界面的稱為GUI 但這些并不屬于操作系統(tǒng)
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這里的用戶接口程序就是 我們的Shell(命令行)和GUI(window的桌面)
多數(shù)計(jì)算機(jī)有兩種運(yùn)行模式：內(nèi)核態(tài)和用戶態(tài)
操作系統(tǒng)運(yùn)行在內(nèi)核態(tài)中（也稱為管態(tài)、核心態(tài)）
在這個(gè)模式中
操作系統(tǒng)對(duì)所有硬件具有完全訪問(wèn)權(quán)，可以運(yùn)行任何計(jì)算機(jī)課執(zhí)行的指令。
而其余軟件運(yùn)行在用戶態(tài)，只使用了機(jī)器指令中的一個(gè)子集，比如一些i/o指令時(shí)禁止的。
操作系統(tǒng)與普通軟件的主要區(qū)別是
普通軟件你不喜歡可以更換，或?qū)懸粋€(gè)但操作系統(tǒng)卻不能寫，這是受硬件保護(hù)的。
但嵌入式操作系統(tǒng)（它沒(méi)有內(nèi)核態(tài)）和解釋系統(tǒng)（java的操作系統(tǒng)）除外。
linux與window的源代碼有500萬(wàn)行，如果包括共享庫(kù)，則應(yīng)該有7000萬(wàn)行
一本書1000頁(yè)，一頁(yè)50行，也要100本書?；揪褪且粋€(gè)書架。如果包括共享庫(kù)起碼要10-20個(gè)書架。所以，操作系統(tǒng)是大型、復(fù)雜、且長(zhǎng)壽的。
壽命長(zhǎng)是因?yàn)?，一旦編寫出?lái)，所有者就不愿丟棄去在寫一個(gè)。
什么是操作系統(tǒng)
它是在內(nèi)核態(tài)運(yùn)行的軟件
操作系統(tǒng)有兩個(gè)基本上的獨(dú)立任務(wù)；為應(yīng)用程序提供抽象、管理硬件資源
硬件為操作系統(tǒng)提供了丑陋的接口，而操作系統(tǒng)又為用戶（應(yīng)用程序）提供美麗的接口
操作系統(tǒng)的歷史
從1945 第一代計(jì)算機(jī)： 真空管和穿孔卡片? 到1955年 第二代 晶體管和批處理系統(tǒng) 到1965年 第三代集成電路和多道程序設(shè)計(jì) 到1980 第四代個(gè)人計(jì)算機(jī) 到1990年 第五代移動(dòng)計(jì)算機(jī)
計(jì)算機(jī)硬件
現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)都可看做這個(gè)模型（目前還是夠用的）
操作系統(tǒng)擴(kuò)展了計(jì)算機(jī)的指令集、它要做的是了解大量硬件? 并了解硬件如何面對(duì)程序員，在這里簡(jiǎn)要了解一下硬件。
如需詳細(xì)了解請(qǐng)查閱 Tanenbaum和Autiin（2012） Patterson和Hennessy（2013）
處理器
他的一生都在 從內(nèi)存中取出指令，解碼-確定其類型與操作數(shù)之中（取指，解碼）每個(gè)CPU都有一套可執(zhí)行的指令集（x86不能執(zhí)行ARM程序 反過(guò)來(lái)也不行）
cpu內(nèi)有個(gè)臨時(shí)寄存器。由于取指比解碼的時(shí)間長(zhǎng)，所以就有處理臨時(shí)數(shù)據(jù)的寄存器，這個(gè)臨時(shí)寄存器在cpu內(nèi)，有了這個(gè)臨時(shí)寄存器就可以從內(nèi)存讀取到臨時(shí)寄存器里，也可以將變量和結(jié)果保存在這個(gè)臨時(shí)寄存器上，也可以從臨時(shí)寄存器存入內(nèi)存。
有個(gè)專用寄存器。他保存了下一個(gè)要讀取指令的地址，指向下一個(gè)后續(xù)指令。
有一個(gè)堆棧指針寄存器。指向內(nèi)存中棧的頂端，該棧包含每個(gè)指執(zhí)行過(guò)程的棧幀。一個(gè)棧幀保存了有關(guān)的輸入?yún)?shù)、局部變量、及沒(méi)保存在寄存器中的臨時(shí)變量。
有一個(gè)程序狀態(tài)字（Program Status Word? （PSW））寄存器。保存著包含條件的碼位，cpu優(yōu)先級(jí)、模式，及各種其他控制位。
所有cpu有四個(gè)寄存器
臨時(shí)寄存器 、專用寄存器、 堆棧指針寄存器 、程序狀態(tài)字寄存器（PSW）
操作系統(tǒng)必須了解每一個(gè)寄存器
因?yàn)樵诙嗦窂?fù)用（同時(shí)使用）的操作系統(tǒng)中，操作系統(tǒng)不停的啟動(dòng)關(guān)停程序
每關(guān)停一次，就必須知道這些寄存器運(yùn)行到了哪里，等待啟動(dòng)繼續(xù)運(yùn)行
為了性能，設(shè)計(jì)師早就放棄了同時(shí)讀取、解碼、執(zhí)行的簡(jiǎn)單模型?，F(xiàn)在的cpu有單獨(dú)的取指單元，取n指令時(shí)，可以對(duì)n+1指令解碼，這樣的機(jī)制稱為流水線。
比流水線更厲害的是超標(biāo)量cpu。這種機(jī)制在解碼單元和執(zhí)行單元之間添加了一個(gè)保持緩沖區(qū)，兩旁有很多的執(zhí)行單元，一旦有空閑的執(zhí)行單元就立馬檢查緩沖區(qū)是否有可執(zhí)行的指令。
前面說(shuō)過(guò)，用戶態(tài)運(yùn)行下的程序只能執(zhí)行cup整個(gè)指令集的子集，而這些都是由PSW一個(gè)二進(jìn)制位控制，用戶態(tài)下很多有關(guān)I/O和內(nèi)存保護(hù)的所有指令的是禁止的
為了從操作系統(tǒng)中獲取這些服務(wù)，用戶程序必須使用系統(tǒng)調(diào)用(system call),在這里先把他看成是特殊的用戶指令，是用戶從用戶態(tài)切換到內(nèi)核態(tài)的能力
但是計(jì)算機(jī)使用陷阱來(lái)執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用而非指令，其他多數(shù)陷阱是由硬件引起的，用來(lái)警告有異常情況的發(fā)生。
多線程與多核芯片
moore定律是芯片中的晶體管沒(méi)18個(gè)月翻一倍。它已經(jīng)保持了30年，有望再保持10年，這么多的晶體管的必然結(jié)果是，在cpu中加入了更大的緩存（后面解釋），隨后某種控制邏輯也會(huì)出現(xiàn)，比如多線程或超線程
多線程允許cpu保持兩個(gè)不同的線程狀態(tài)，然后再納秒級(jí)的時(shí)間尺度來(lái)回切換。（線程是一種輕量級(jí)進(jìn)程，后面解釋）
多線程對(duì)操作系統(tǒng)是有益的，因?yàn)橐粋€(gè)線程相當(dāng)于單個(gè)cpu，對(duì)于實(shí)際只有兩個(gè)cpu的操作系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，則相當(dāng)于4個(gè)cpu。
除了多線程外，還有多核，就是一個(gè)多核芯片可以安放多小芯片，每個(gè)小芯片相當(dāng)于cpu，目前最多的有60多個(gè)核，如Intel Xeon Phi等
但操作系統(tǒng)使用這類多核芯片，必須使用多處理器操作系統(tǒng)
論數(shù)量最多的沒(méi)什么贏過(guò)GPU（顯卡的組成部分）的，GPU是由成千上萬(wàn)個(gè)微核組成的處理器，擅長(zhǎng)圖形渲染，但不能勝任串行任務(wù)，且很難編程。GPU在加密及網(wǎng)絡(luò)傳輸方面對(duì)操作系統(tǒng)很有用，但讓他運(yùn)行在GPU上就不太可能了。
存儲(chǔ)器
任何一種計(jì)算機(jī)中，第二種主要部件都是存儲(chǔ)器
理想的儲(chǔ)存器應(yīng)有三個(gè)目標(biāo)
極為迅速，cpu不會(huì)受到儲(chǔ)存器限制
充分大
非常便宜
但目前是無(wú)法同時(shí)滿足著三個(gè)目標(biāo)
頂層是存儲(chǔ)器，寄存器在cpu中，沒(méi)有時(shí)延，容量為 在32位CPU為32*32,64位中則64*64，其儲(chǔ)存容量都小于1kb
下一層是高速緩存，當(dāng)某個(gè)程序讀取存儲(chǔ)字時(shí)，先會(huì)檢查高速緩存中是否有對(duì)應(yīng)的字，是，則被稱為高速緩存命中，就不需要通過(guò)主線去訪問(wèn)主存了，當(dāng)高速緩存的價(jià)格昂貴，大小有限。
操作系統(tǒng)一直在使用緩存，避免重復(fù)地調(diào)取主存中的文件，以提高效率
緩存是一個(gè)好方法，在現(xiàn)代CPU中設(shè)計(jì)了兩個(gè)緩存
第一級(jí)稱為L(zhǎng)1緩存，在CPU中，將以解碼的指令調(diào)入cpu執(zhí)行，無(wú)延遲
第二級(jí)稱為L(zhǎng)2緩存，在CPU外，用來(lái)存放使用過(guò)的內(nèi)存字，有1-2個(gè)時(shí)鐘周期延遲
再往下一層是主存，通常稱為隨機(jī)訪問(wèn)存儲(chǔ)器（RAM）
除主存之外，還有一類 非易失性訪問(wèn)存儲(chǔ)器
只讀存儲(chǔ)器（ROM） 閃存? 電可擦除可編程存儲(chǔ)器（EEPROM）
前一個(gè)在出廠時(shí)就已寫好，不能被更改，后兩個(gè)則可以被更改
還有易失的CMOS存儲(chǔ)器 它靠一塊小電池驅(qū)動(dòng)保持時(shí)間和啟動(dòng)磁盤等配置，計(jì)算機(jī)
沒(méi)上電也可更新時(shí)間?
