文章目录
什么是操作系统
- 操作系统 Operating System 是一组控制和管理计算机 硬件 和 软件 资源合理地对各类作业进行 调度，方便用户使用计算机的程序集合。
- 操作系统的核心目标是，使系统资源的利用率高，系统的吞吐量大。
操作系统的形成
用户想要调用硬件，需要使用硬件的驱动程序，那么如果换了硬件就需要更换驱动，这样可移植性差，于是出现了操作系统。
操作系统负责提供设备驱动框架来驱动不同的底层设备，同时提供了用户接口框架给上层用户。
后来操作系统一并将软件驱动纳入，形成软件操作系统。
从程序看OS
提出问题：从hello world文件开始
- hello world文件在磁盘中是怎么存储的？
- 怎么存决定了怎么读
- 利用文件系统
- .c文件怎么变成让CPU认识的指令的？
2.1 是否这些指令所有CPU都认识呢？
2.2 是否编译成0101这种二进制文件系统就能运行了呢？- 我们现在的编程大多是 基于OS的程序设计
- 而还有一种就是裸机编程，程序可以不需要操作系统直接调动硬件
- 软件多次运行或者同时运行，CPU如何管理多个任务的？
- 对于运行时的数据如何进行内存存放，内存如何管理？
总结下来就是，操作系统如何进行：
- 管理CPU —— 进程和线程 —— 调度与同步机制
- 管理内存 —— 内存管理
- 管理磁盘 —— 文件系统
- 管理IO —— IO设备
目前编译器帮我们解决了诸多问题
编译器帮助我们解决了前两个问题：管理CPU和管理内存。
- 调用进程线程来运行程序
- 编译器链接内存地址
调用指令
gcc -v
可以看到如下信息：
目标：x86_64-redhat-linux
说明gcc编译的指令集是面向x86架构的CPU，作用于linux操作系统的
gcc（编译器）解决了文件对于不同架构的CPU与不同的操作系统的问题。
gcc的编译过程
指令：
gcc helo.c -E -o a.i # 将hello.c文件预处理
gcc a.i -S -o a.s # 对预处理后的文本文件进行编译
gcc a.s -c -o a.o # 对汇编文件进行汇编，生成二进制文件
gcc a.o -o a.out # 对各种库和文件进行链接，生成可执行文件
cc1 hello.c -o /tmp/cceVNE1I.s # 编译器ccl gcc -S
as -o /tmp/cc8ATX9H.o /tmp/cceVNE1I.s # 汇编器as gcc -c
ld -o build /tmp/cc8ATX9H.o ...../*.o -lc # 链接器ld gcc
指令：
file a.out
可以调出可执行文件适用的CPU，操作系统等信息
CPU的运作
CPU通过缓存对内存进行调度，其中，内存分为两种：
- 数据内存：存放数据。
- 控制器：
- 在硬件通信中，需要高低电压的信号来互相通信，而高低电压的持续时间需要软件控制，而代码中会需要进行休眠来控制电压持续时间，如果CPU自己来做，就会造成CPU休眠（死机），所以创造出了控制器。
- CPU告诉控制器，我需要什么类型的信号，由控制器进行操作，这样就能让CPU在控制器发信号和休眠的时间内做其他事情了。
CPU对任务的切换
CPU在执行程序的时候，如何实现对任务的切换呢？
例如，对一个C程序：
#include <stdio.h>
int reslut() {
int a = 1;
int b = 2;
return a + b;
}
int main() {
int k = reslut();
return 0;
}
- CPU开始执行main()
- 跳转到reslut()
- 在CPU的寄存器内记录下a, b的数据，然后进行运算
- 跳转回main()
那CPU是怎么知道要跳转到哪里的？
- CPU的寄存器中有一个名叫程序计数器（Program Counter, PC），程序计数器指示了下一条需要从内存中提取的指令的地址。当指令被提取后，程序计数器会自动更新为下一条需要提取的指令的地址，从而确保指令能够按正确的顺序执行。
- 另一个重要的寄存器是 栈指针（Stack Pointer, SP）。栈指针指向内存中当前栈的顶端。它包含了函数调用过程中传递的参数、局部变量以及未保存在寄存器中的临时变量。通过堆栈指针，CPU可以管理函数调用期间的数据和返回地址。
- 在进行多任务时，由于CPU内寄存器只有那么多，所以在切换任务前，PC 指针会保存当前任务的下一条语句的地址，然后将栈指针SP以及栈内的数据保存到内存的TCB任务控制块中，之后再跳转到另一个任务中。在任务完毕时，根据PC指针位置跳转，然后将对应数据从内存下载到栈内，这就是CPU和内存间的load/store操作。
- 任务切换，也称上下文切换（Context Switch）
CPU的四个重要组成
- 指令集：由CPU结构特点决定
- 资源：寄存器
- 工作模式
- 中断模式和系统调用
CPU提供两种模式：
- 特权模式 ：也称为内核模式（Kernel Mode），是CPU可以执行所有指令和访问所有资源的模式。在这个模式下，CPU可以直接访问硬件、管理内存和执行系统级操作。
- 非特权模式 ：也称为用户模式（User Mode），是CPU在执行普通用户程序时的模式。在此模式下，程序只能访问有限的资源，无法直接进行敏感操作或访问硬件。
对于不同的模式，也会有不同的寄存器。一般情况下，大家都公用寄存器，但是有些模式下，会有专属寄存器，当这个寄存器存储此模式的栈指针SP，就会有它独属的上下文。
PSW状态寄存器
在程序中，经常会有分支、判断，那么CPU如何知道判断后的状态如何呢？
CPU还有一个寄存器是 程序状态字寄存器（Program Status Word, PSW），用于记录状态。对于程序中的左值，右值等数据都是不会记录的，而是将结果写入状态寄存器，保存数据判断的结果。
寄存器的总结
寄存器分为：
-
普通寄存器
-
特殊功能寄存器
- PC寄存器：保存下一个任务的地址
- SP寄存器：保存数据存放的栈指针
- PSW寄存器：保存状态记录
寄存器的保护
那么在一个程序执行中，如果切换任务或中断时，那么PC、SP和PSW需要压栈存入内存保护起来。
在任务执行完毕时，这三个值就不需要保护了。
CPU的工作过程
CPU对任务的执行分三步：
- 取指
- 解码
- 执行
一开始这三步顺序执行，之后为了提升效率，CPU同时执行这三步，所以这种组织形式被称为 “流水线（pipeline）”。
由于判断、循环的存在，如果经过取指、解码后得出的结果是不执行，那就浪费了资源和时间，所以现在的高级CPU都是有指令预测功能，中间多达十几道工序来最大化效率。
比流水线还要先进的是 超标量(superscalar) CPU
同时读取、解码多条指令，然后将指令存放在缓冲区中，然后由执行单元从中取指令执行。
这种方式可能造成 指令乱序 的问题：由于同时取指，所以有可能缓冲区中的指令跟源代码的顺序不一致，导致一些问题。
内存
计算机中的第二个主要组件是内存。理想情况下，内存应该是非常快速的（比执行一条指令还要快，以避免拖慢CPU的执行效率），同时容量足够大且成本低廉。然而，当前的技术手段无法同时满足这三个要求。因此，存储系统采用了一种分层次的结构来解决这个问题。
顶层的存储器速度最高，但是容量最小，成本非常高，层级结构越向下，其访问效率越慢，容量越大，但是造价也就越便宜。
高速缓存cache
- 当应用程序需要从内存中读取数据时，高速缓存硬件会检查所需的高速缓存行是否在高速缓存中。如果在，这就是高速缓存命中（cache hit），高速缓存会满足该请求，无需通过总线将请求发送到主内存。
- 高速缓存命中通常只需要两个时钟周期。如果未命中，则需要从主内存中提取数据，这将消耗大量时间。
- 高速缓存行的数量受限于其高昂的成本。有些机器会有两到三级高速缓存，每一级比前一级容量更大但速度略慢。
局部性原理
局部性原理，就是指CPU访问存储器的时候，无论是去指令还是存取数据，所访问的存储单元都区域聚集在一个较小的连续区域中。也就是说，程序具有访问局部区域里的数据和代码的趋势。
代码演示
#include <stdio.h>
#include <stdint.h>
#include <time.h>
#define ROW_NUM (1024)
#define COLUMN_NUM (0x1<<14)
uint8_t data[ROW_NUM][COLUMN_NUM];
void initData() {
for (int i = 0; i < ROW_NUM; ++i) {
for (int j = 0; j < COLUMN_NUM; ++j) {
data[i][j] = 1;
}
}
}
uint32_t fun01() {
uint32_t sum = 0;
for (int i = 0; i < ROW_NUM; ++i) {
for (int j = 0; j < COLUMN_NUM; ++j) {
sum += data[i][j];
}
}
return sum;
}
uint32_t fun02() {
uint32_t sum = 0;
for (int j = 0; j < COLUMN_NUM; ++j) {
for (int i = 0; i < ROW_NUM; ++i) {
sum += data[i][j];
}
}
return sum;
}
void test(const char *name, uint32_t (*test_fun)()) {
clock_t start = clock();
test_fun();
clock_t end = clock();
printf("test %s cost time: %f\n", name, 1.0 * (end - start) / CLOCKS_PER_SEC);
}
int main() {
initData();
test("line01", fun01);
test("line02", fun02);
return 0;
}
申请了一个1024行，16K列的数组，也就是说每一行存放16K个元素（一般情况下高速缓存读取16K的数据）。
- func1():
- 每次读一行，然后将这一行的数据累加。
- func2():
- 每次读一列，然后将这一列的数据累加。
- 结果：
- func1()的效率显著高于func2()。
- 这是因为高速缓存每次从内存中读取一行，func1()一次累加只需要读取一次然后对缓存中的数据进行处理即可，这很快。
- 而func2()需要读取1024次才能将所有数据读取，自然慢很多。
主存
- 紧接高速缓存之下的是主存（Main Memory），也称为RAM（Random Access Memory，随机存取存储器）。这是一种断电易失性结构，没电了存储的信息就会丢失。
- 除了主存之外，许多计算机还配备了一定量的非易失性随机存取存储器。这类存储器与RAM不同，在电源断电后不会丢失内容。ROM（Read Only Memory，只读存储器） 的内容一旦存储后就不会被修改。
- 另一种是闪存（Flash Memory），也就是固态，多用于手机，8+256的256就是指闪存大小。
- 还有一种是 CMOS（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor，互补金属氧化物半导体），多用于存储日期，断电易失。
磁盘
- 磁盘由主轴马达、碟片、机械臂、磁头四部分组成。
- 磁头转一圈，读取的一个环形区域叫做磁道(track)。
- 把一个给定臂的位置上的所有磁道合并起来，组成了一个柱面(cylinder) 。
每个磁道划分若干扇区，扇区的值是 512 字节。
I/O设备
CPU总线宽为32bit，那么它是如何调动1T的U盘的呢？
- 在我们的设备里含有控制器，这个控制器的作用是与U盘进行交互。
- 1T的U盘需要40bit来调度，CPU发5次，每次只发8bit，控制器拼接这五次的地址然后调动对应的空间。
32位的CPU能调动4G的地址，但并不意味着可以用完4G的内存条，因为还有其他的I/O设备需要分配地址。
每种类型的设备控制器都是不同的，所以需要不同的软件进行控制。我们通过下载驱动，让软件操控驱动，由驱动去驱动对应硬件设备。
为了使设备驱动程序能够工作，必须把它安装在操作系统中，这样能够使它在内核态中运行。
I/O方式
- 忙等待(busy waiting，也叫轮询)：CPU一直停在这等你发出信号，直到I/O操作完成。
- 中断：是设备驱动程序启动设备并且让该设备在操作完成时发生中断。设备驱动程序在这个时刻返回。操作系统接着在需要时阻塞调用者并安排其他工作进行。当设备驱动程序检测到该设备操作完成时，它发出一个 中断 通知操作完成。
- 当硬件中断时，保存现场然后跳转到中断项目表，查询对应中断函数，然后执行，完毕后恢复现场。
扫一扫
9007
被折叠的 条评论
为什么被折叠?
到【灌水乐园】发言
