作業系統核心原理-2.一些基本概念

阿新 • • 發佈：2019-01-16

一、計算機硬體基礎

1.1 匯流排結構

　　從概念上講，計算機的結構是匯流排型的：佈置一根匯流排將各種硬體裝置掛在匯流排（Bus）上。

　　（1）所有的裝置都有一個控制裝置，外部裝置通過控制器與CPU進行通訊。

　　（2）所有的裝置之間的通訊也需要通過匯流排。

1.2 流水線結構

　　為了提高計算機的效率，人們又設計出了流水線結構：仿照工業流水裝配線，將計算機的功能部件分為多個梯級，並將計算機的每條指令拆分為同樣多個步驟，使每條指令在流水線上流動，到流水線最後一個梯級時指令執行完畢。

　　下圖展示了5個梯級的流水線結構，流水線上的每個梯級都可以容納一條指令並同時執行。

　　在流水線的基礎之上，為了進一步提高效率，人們又發明了多流水線、超標量計算和超長指令字等多指令發射機制。

1.3 儲存結構

　　除了指令執行單元外，計算機中的另一個重要部件是指令的存放單元，被稱為儲存架構。儲存架構包括了快取、主存、磁碟、磁帶等。下圖展示了一個包括暫存器在內的5級儲存介質構成的儲存架構。

　　從暫存器到磁帶，每一級儲存媒介的訪問延遲和容量均依次增大，而價格卻依次降低。從圖中可以看出，暫存器的訪問速度最快，容量最小，但成本卻最高；磁帶的訪問速度最慢，容量最大，但是成本卻最低。通過合理搭配，可以形成一個性價比頗高的儲存架構。

1.4 中斷機制

　　中斷是計算機裡面的一個最為重要的機制，它也是作業系統獲得計算機控制權的根本保證。其基本原理是：裝置在完成自己的任務後向CPU發出終端，CPU判斷優先順序，然後確定是否響應。如果響應，則執行中斷服務程式，並在中斷服務程式執行完後繼續執行原來的程式

。下圖簡單地描述了中斷機制：

二、抽象

　　所謂抽象，就是在根本上存在但現實中不存在的東西。抽象來源於具體，但又超越具體。

　　作業系統提供的抽象來源於顯示，就是具體的計算機硬體，如CPU、記憶體、I/O裝置等等。但又超出這些現實，給人提供了強於現實的東西，使人和應用軟體感覺到更多、更好的硬體存在。

　　抽象不只是作業系統提供給使用者的一個存在，它也存在於作業系統內部。作業系統內部分為不同的功能模組，而不同功能塊之間互相提供的也是抽象。想想在我們得實際開發中，是不是也遵循著這樣類似的原則？針對抽象程式設計？面向介面程式設計？依賴於抽象而不依賴於具體？

三、核心態與使用者態

殘酷的現實：

世界上的人並非都是平等的，有些人生來佔有的資源就多，而有的人佔有的資源就很少。當有些人來了，其他人就得讓出資源。程式亦是如此。

　　作業系統作為計算機的管理者，享有著更多的方便或許可權。為了區分不同的程式的不同許可權，人們發明了核心態和使用者態的概念。

3.1 兩種狀態的概念

　　核心態就是擁有資源多的狀態（或訪問資源多的狀態），也稱為特權態。而使用者態則是非特權態，在使用者態下訪問的資源會受到限制。例如，要訪問OS的核心資料結構，如程序表等，則需要在特權態下才能做到。如果只需要訪問使用者程式裡的資料，則在使用者態下就可以了。

3.2 兩種狀態的優勢

　　核心態：訪問資源多，但可靠性、安全性要求高，維護管理都比較複雜；

　　使用者態：訪問資源有限，但可靠性、安全性要求低，維護起來比較簡單；

　　那麼，一個程式到底應該執行在核心態還是使用者態呢？這取決於其對資源和效率的需求；下圖展示了Windows作業系統的核心態與使用者態的界限，我們可以看到哪些需要在核心態下執行，哪些只在使用者態下執行。

3.3 兩種狀態的本質

　　計算機對於核心態和使用者態的識別是通過CPU的一個狀態位來實現的，這個狀態位是CPU狀態字裡面的一個字位。所謂的使用者態、核心態實際是CPU的一種狀態，而不是程式的狀態。通過設定該狀態字，可以使CPU處於核心態、使用者態或者其他的子態（有的CPU有更多種子態）。

　　換句話說：一個程式執行時，CPU是什麼態，這個程式就執行在什麼態。

　　那麼，知道了是怎麼實現的，那又是如何對使用者態的訪問進行限制的呢？在對使用者態下程式執行的每一條指令進行檢查，這種檢查又被稱為地址翻譯，即對程式發出的每一條指令都要經過這個地址翻譯過程（你可以將其理解為我們在實際開發中所作的許可權管理，對使用者發出的每個操作請求首先都經過一個Filter進行過濾），通過對翻譯的控制，就可以限制程式對資源的訪問。

四、作業系統結構

4.1 單一體結構

　　單一體結構是最早期的結構，這時整個OS是一個巨大的單一體，執行在核心態下，為使用者提供服務，如下圖所示。

　　但單一體結構各功能塊之間關係複雜，修改困難，牽一髮而動全身，且容易形成迴圈呼叫造成死鎖，於是有了下面的層次關係。

4.2 層次化結構

　　將作業系統的功能分成不同的層次，低層次的功能為緊鄰其上一個層次的功能提供服務，而高層次的功能又為更高一個層次的功能提供服務，如下圖所示。

4.3 微核心結構

　　從單一體和層次化結構的圖中可以看出，作業系統的所有功能都在核心態下執行。但是，從使用者態轉為核心態是有時間成本的，這樣就會造成OS的效率低下。於是，人們將作業系統的核心中的核心才放在核心態執行，其他功能都遷移到使用者態執行，於是就有了下面的微核心結構。

五、程序、記憶體和檔案

5.1 程序

process

　　程序是OS中的核心概念，它指的是一個運動中的程式。一個程式一旦在計算機裡執行起來，它就稱為一個程序。程序與程序之間可以進行通訊、同步、競爭，並在一定情況下可能形成死鎖。

5.2 記憶體

　　記憶體是另一個核心概念，它是程序的存放場所。OS要做的就是對記憶體進行管理，使得資料讀寫高效、安全、簡單。

5.3 檔案

　　檔案是作業系統提供的外部儲存裝置的抽象，它是程式和資料的最終存放地點。OS要做的就是讓使用者的資料存放變得容易、方便和可靠。

六、系統呼叫

　　作業系統是一個系統程式，即為別的程式提供服務的程式。那麼，作業系統的服務是通過什麼方式提供的呢？答案就是：系統呼叫（System Call）。

　　所謂系統呼叫就是：作業系統提供的API，使用者通過呼叫這些API即可獲得作業系統的服務。（想想是不是跟我們現在所作的什麼Web Service、WCF、WebAPI、開放API之類的一致？）例如，如果使用者程式需要進行讀磁碟的操作，在C程式程式碼中可以使用如下語句來操作：

    result = read(fd, buffer, nbytes);

　　這個read函式是C語言提供的庫函式，而這個庫函式本身則是呼叫的作業系統的read系統呼叫。具體的系統呼叫過程不是我們討論的重點，但我們還是可以通過下圖來看看這個read系統呼叫的過程。

參考資料

鄒恆明，《作業系統之哲學原理》，機械工業出版社

作者：周旭龍

本文版權歸作者和部落格園共有，歡迎轉載，但未經作者同意必須保留此段宣告，且在文章頁面明顯位置給出原文連結。