OS CH1:introduction

1.0 LINUX概述

如图为Linux发展的“五大支柱”、 ### 1.0.1 LINUX的系统结构 Linux系统中没有像windows的不同的C D E盘之类的结构，而是统一挂在同一个序列下面 需要掌握Linux相关的命令！

1. sudo :这个之后的命令的意思是，使用root的权限来运行后面的内容，root是具有“超级权限”的账户，可以修改、删除任何的文件

1.1 操作系统是做什么的？

操作系统是一个介于计算机hardware和user之间的“中介”。

这里的user并非一定是“人”，也可以是“软件”，连接到主机的笔记本，etc.

操作系统有这些作用： 从架构的角度来看： 从计算机系统组成的角度看（软硬件）：操作系统是系统软件 从用户的角度看：操作系统是硬件和用户的接口，其提供了命令级接口（e.g. 鼠标，触摸屏，键盘，etc.）与程序级接口（操作系统给一系列程序提供调用的接口，也就是程序通过操作系统才可以接触、调用底层硬件的东西） 从系统的角度来看：操作系统是计算机系统资源的管理者（管理各种乱七八糟的硬件）

1.2 计算机系统的组成

比较常见的有总线结构和现在比较少见的主机型结构;总线结构的所有设备都连接在一根I/O bus和memory bus中，即都挂接在主线上；而主机型结构的核心是存储器，CPU以及各种通道都与存储器相连。

1.2.1 计算机系统的操作

1.2.1.1 device controller

首先介绍device controller（设备控制器）：可以理解为，每一个I/O设备都需要配备一个设备控制器，它可以在特定的设备和CPU之间充当一个”翻译“的角色。比如说，网卡 显卡 声卡 就是用来处理网络 视觉 音频的特定device controller。

与之相关的工作流程大致如下描述：每一个控制特定device controller的操作系统叫做device driver（设备驱动）；每一个device driver会有一个local buffer;CPU控制main memory向local buffer传输数据

当设备完成执行的任务之后，device controller会向CPU发送一个interrupt信号，表示设备已经完成执行任务。因此可见：CPU可以与硬件设备并行运行，因为只要把命令下达下去、指令传递过去，之后只要等待传来interrupt即可。

1.2.1.2 计算机启动

计算机启动一般分为以下几个步骤： bootstrap program（引导程序）相当于是对于特定系统部分的启动程序，其帮助更好地启动。

ROM中的引导程序也就是我们常知的bios、UEFI等。然后分阶段启动之后，启动操作系统的内核，之后基本完成计算机的启动。

1.2.1.3 common functions of interrupts

介绍interrupt是如何与处理机（cpu）进行交互的：当一个设备处理任务完成之后，interrupt传递到cpu手上之后，cpu会记录手上工作的地址，并且立即去处理这个interrupt；每个设备对应着不同的interrupt内容，而这些内容被统一存储在一个 中断向量（interrupt vector） 中。

interrupt之间需要排队一个一个来，不然会发生lost interrupt而错过信息

与interrupt相对应的有一个trap的定义，这个trap是由软件引起的，主动的一个中断，其一般来源于错误（比如说，运算中除0了或者访问了非法地址）或者是用户的请求。不难理解，interrupt是异步的，而trap是同步的（因为软件引起的中断一定是与cpu当前工作内容有关的，而对于interrupt，引发它操作的命令之前就下达过了）在cpu正在进行的进程中，一条指令完成后可能会引起trap。

这部分内容和操作系统最大的关系为：An operating system is interruptdriven. 也就是说，大部分时间os是闲着的，但是一旦发生中断，就需要我的操作系统出面来处理问题。

trap与fault的区别：trap是主动的、预期的中断，比如说系统调用open write等，写了一条命令停下来了；而fault就是出错了（比如说，不幸执行了除以0等等的命令）

1.2.1.4 中断处理

这张图的例子表明，当需要进行I/O的时候，由于CPU和I/O可以并行执行，这里是先并行执行，然后I/O传输完数据以后，由于向CPU发送了一个interrupt，因此cpu会停下来处理这个interrupt然后继续工作；大部分时候I/O也是处于idle（空闲）状态

1.2.2 存储结构

这个部分的内容和之前学的内容很相似 recall：primary、secondary storage；以及下面的一些存储单位

1.2.3 I/O结构

1. 理解同步I/O和异步I/O的区别：关键在于所谓的控制权：

同步I/O:当一个I/O开始后，控制权只有在这个I/O执行完之后才会被返回给程序；也就是说，在这期间，我的cpu处于等待状态；因此，同时最多只能有一个I/O在运行

异步I/O:I/O开始后，控制权可以返回给程序；这时候程序可以同时做别的事情。此时维护一个Device-status table，来记录每个设备的状态

2. 了解一下直接内存访问（DMA） 结构：有了DMA技术之后，一些高速的I/O设备就可以不经过cpu的控制直接实现从设备得到buffer向内存中传输数据；当所有数据全部准备完成之后再向cpu发送一个interrupt即可；否则的话，每次传输一个byte就需要向cpu发送一个interrupt，”打扰“一下cpu，代价很大。

1.3 计算机系统架构

这个部分最重要的是界定清楚三个概念之间的关系：processor core和cpu 具体解释一下：

（1）processor相当于芯片，一个处理器上有一个或者多个cpu

（2）CPU是执行各种指令的硬件，其上面执行基本计算的单元是core

（3）core是最小的单元，是CPU上最基本的计算单位

因此，多核指的是一个cpu有多个core，而多处理器指的是电脑含有多个处理器。但是一般地讨论的时候，还是会习惯性使用cpu来代指整个”计算机“的计算单元

集群系统和分布式系统都是简单提了一下

1.4 操作系统（程序）的执行

正如上面提到的那样，操作系统运行的时候，要么是返回了interrupt，要么是软件发生了错误，或者是request产生了exception/trap。

1.4.1 特权指令

privileged instruction是指不允许用户程序直接使用的指令，包括I/O指令、设置时钟、置控制寄存器等等指令都是特权指令。 重点掌握：CPU是user mode的话，特权指令不能运行；但是kernel mode下，所有指令都可以运行

另外一个需要知道的内容是，我们需要确保操作系统可以对cpu保持控制，比如说万一有一个无限长的程序一直占据着cpu，就要想办法夺回这个控制权；而这一般通过设置一个timer（定时器）来实现，再执行进程前设置一个倒计时，当时间到达的时候会自动生成一个interrupt，这时候控制权会回到操作系统手中。