操作系统基础概述

1.系统概述

1.1 操作系统的基本概念

在信息化时代，软件是计算机系统的灵魂，而作为软件核心的操作系统，已与现代计算机系统密不可分、融为一体。
计算机系统自下而上大致分为四个部分：

• 硬件
• 操作系统
• 应用程序
• 用户

操作系统管理各种计算机硬件，为应用程序提供基础，并且充当计算机硬件与用户之间的中介。

硬件提供基础的计算资源。

应用程序规定按何种方式使用这些资源。

操作系统控制和协调各用户的应用程序对硬件的分配与使用。

综上，操作系统是指控制和管理整个计算机系统的硬件与软件资源，合理地组织、调度计算机工作与资源的分配，进而为用户和其他软件提供方便接口与环境的程序集合。操作系统是计算机系统中最基本的系统软件。

1.1.2 操作系统的特征

• 并发（Concurrence）
  两个或多个事件在同一时间间隔内发生。
  在多道程序环境下，在内存中同时装有若干道程序，以便当运行某道程序时，利用其I/O操作而暂停执行时的CPU空挡时间，再调度另一道程序运行，从而实现多道程序交替运行，使CPU保持忙碌状态。

• 共享（Sharing）
  即资源共享，系统重的资源可供内存中多个并发执行的进程共同使用。资源共享可分为互斥共享和同时访问两种方式。

  • 互斥共享方式
    一段时间内仅准一个进程访问的资源称为临界资源。
    如栈，变量都属于临界资源，
  • 同时访问方式

• 虚拟（Virtual）
  一个物理上的实体变为若干逻辑上的对应物。
  并发处理多道程序分配一个cpu，感觉上使每个终端用户感觉专门有一个CPU为自己服务。

• 异步（Asynchronism）
  多道程序环境允许多个程序并发执行，但由于资源有限，进程的执行并不是一贯到底的，而是走走停停。这就是进程的异步性。

1.1.3 操作系统的目标与功能

操作系统应具备以下几方面的功能：

• 处理机管理
  处理机的分配和运行都是以进程（或线程）为单位。
• 存储器管理
• 设备管理
• 文件管理
• 向用户提供接口
• 扩充机器

终终终终--------------------------------

硬件结构

1.CPU是如何执行程序的？

冯诺依曼模型

定义计算机及基本机构五个部分：

• 运算器

• 控制器

• 存储器

• 输入设备

• 输出设备

运算器、控制器是在中央处理器里的，存储器就我们常见的内存，输入输出设备则是计算机外接的设备

存储单元和输入输出设备要与中央处理器打交道的话，离不开总线。所以，它们之间的关系如下图：

内存

存储数据基本单位是字节（byte），1字节等于8比特。

每一个字节都对应一个内存地址。内存的地址是从 0 开始编号的，然后自增排列，最后一个地址为内存总字节数 - 1

中央处理器（CPU）

32 位和 64 位 CPU 最主要区别在于一次能计算多少字节数据：

• 32 位 CPU 一次可以计算 4 个字节；
• 64 位 CPU 一次可以计算 8 个字节；

这里的32位和64位称为CPU的位宽，代表的是CPU一次可以计算的数据量。
之所以 CPU 要这样设计，是为了能计算更大的数值。如8位CPU，只能计算0~255间的数值。

CPU内部的常见组件

• 控制单元：负责控制CPU工作
• 逻辑运算单元：负责计算
• 寄存器：主要用于存储计算时的数据，分为多个种类。
  • 通用寄存器：用来存放需要进行运算的数据
  • 程序计数器：用来存储CPU要执行下一条指令所在的内存地址。
  • 指令计算器：用来存放当前正在执行的指令

总线

总线用于CPU和内存以及其他设备之间的通信，总线可分为：

• 地址总线，用于指定CPU将要操作的内存地址
• 数据总线，用于读写内存的数据
• 控制总线，用于发送和接受信号

CPU读写内存一般顺序

1. 首先通过地址总线来指定内存的地址
2. 然后通过控制总线控制是读或写命令
3. 最后通过数据总线来传输数据

输入、输出设备

输入设备向计算机输入数据，计算机经过计算后，把数据输出给输出设备。期间，如果输入设备是键盘，按下按键时是需要和CPU进行交互的，这是就需要用到控制总线了。

线路位宽与CPU位宽

在计算小于32位的数字时，32位计算机和64为计算机并没有什么区别。

只有计算超过32位的数才能体现64位计算机的优点。

程序执行过程

1. CPU读取程序计数器的值，然后在CPU的控制单元操作地址总线指定需要方位的内存地址，接着通知内存设备准备数据，数据准备好后通过数据总线将指令数据传给CPU，CPU收到内存传来的数据后，将这个指令数据存入到指令寄存器。
2. 程序计数器的值自增，表示指向下一条指令。这个自增的大小，由CPU的位宽决定，32为CPU需4个字节的地址，所以自增4.
3. CPU分析指令寄存器中的指令，确定指令的类型和参数，如果计算类型的指令，就把指令交给逻辑运算单元运算；如果是存储类型的指令，则交给控制单元执行。

CPU的指令周期：

CPU从程序计数器读取指令、到执行、再到下一条指令的过程。

指令

指令周期：

1. CPU 通过程序计数器读取对应内存地址的指令，这个部分称为 Fetch（取得指令）；

2. CPU 对指令进行解码，这个部分称为 Decode（指令译码）；

3. CPU 执行指令，这个部分称为 Execution（执行指令）；

4. CPU 将计算结果存回寄存器或者将寄存器的值存入内存，这个部分称为 Store（数据回写）；

指令的类型：

• 数据传输类型
• 运算类型
• 跳转类型
• 信号类型
• 闲置类型

存储器

存储器的层次结构

CPU Cache（CPU高速缓存）通常会分为L1,L2,L3三层。

其中 L1 Cache 通常分成「数据缓存」和「指令缓存」，L1 是距离 CPU 最近的，因此它比 L2、L3 的读写速度都快、存储空间都小。

存储器通常分为这么几个级别：

寄存器

最靠近 CPU 的控制单元和逻辑计算单元的存储器

CPU Cache

CPU Cache用的是一种叫 SRAM（Static Random Access Memory，静态随机存储器）。

L1和L2每个CPU核心都有，L3高速缓存通常是多个CPU核心公用的。

内存

内存用的芯片和 CPU Cache 有所不同，它使用的是一种叫作 DRAM （Dynamic Random Access Memory，动态随机存取存储器） 的芯片。

SSD/HDD 硬盘

SSD（Solid-state disk） 就是我们常说的固体硬盘。

当然还有一种传统硬盘，机械硬盘（Hard Disk Drive, HDD）,它是通过物理读写的方式来访问数据的。访问速度非常慢。

存储器的层次关系

CPU并不直接和每一种存储器直接打交道，而是每一种存储器设备只和它相邻的存储器设备打交道。

CPU需要访问内存某个数据时，也是先找寄存器，寄存器没有再找L1.以此类推。

3.如何写出让CPU跑的更快的代码

因为CPU和内存的读取性能随技术发展越来越大，所以引入CPU Cache作为过渡优化读取速度。

CPU Cache是一块一块从内存读取数据的，成为Cache Line（混存块）。

为了区别不同的内存块，在对应的CPU Cache Line中我们还会存储一个组标记（Tag）。这个组标记信息外，CPU Cache Line还有两个信息：

• 从内存加载过来的实际存放数据
• 有效位，用来标记对应的CPU Cache Line中的数据是否有效。

CPU从CPU Cache读取数据时，并不是直接读整个数据块，而是读CPU需要的一个数据片段，这样的数据统称为一个字（Word）。那怎么在对应的 CPU Cache Line 中数据块中找到所需的字呢？答案是，需要一个偏移量（Offset）。

因此，一个内存的访问地址，包括组标记、CPU Cache Line 索引、偏移量这三种信息

而对于 CPU Cache 里的数据结构，则是由索引 + 有效位 + 组标记 + 数据块组成。

如何写出让CPU跑的更快的代码

更多的数据能从CPU Cache找到而不是找内存。

访问的数据在CPU Cache中的话，意味着缓存命中。