一、計(jì)算機(jī)硬件基礎(chǔ)

1.1 總線結(jié)構(gòu)

　　從概念上講，計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)是總線型的：布置一根總線將各種硬件設(shè)備掛在總線（Bus）上。

　?。?）所有的設(shè)備都有一個(gè)控制設(shè)備，外部設(shè)備通過(guò)控制器與CPU進(jìn)行通信。

　?。?）所有的設(shè)備之間的通信也需要通過(guò)總線。

1.2 流水線結(jié)構(gòu)

　　為了提高計(jì)算機(jī)的效率，人們又設(shè)計(jì)出了流水線結(jié)構(gòu)：仿照工業(yè)流水裝配線，將計(jì)算機(jī)的功能部件分為多個(gè)梯級(jí)，并將計(jì)算機(jī)的每條指令拆分為同樣多個(gè)步驟，使每條指令在流水線上流動(dòng)，到流水線最后一個(gè)梯級(jí)時(shí)指令執(zhí)行完畢。

　　下圖展示了5個(gè)梯級(jí)的流水線結(jié)構(gòu)，流水線上的每個(gè)梯級(jí)都可以容納一條指令并同時(shí)執(zhí)行。

　　在流水線的基礎(chǔ)之上，為了進(jìn)一步提高效率，人們又發(fā)明了多流水線、超標(biāo)量計(jì)算和超長(zhǎng)指令字等多指令發(fā)射機(jī)制。

1.3 存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)

　　除了指令執(zhí)行單元外，計(jì)算機(jī)中的另一個(gè)重要部件是指令的存放單元，被稱為存儲(chǔ)架構(gòu)。存儲(chǔ)架構(gòu)包括了緩存、主存、磁盤(pán)、磁帶等。下圖展示了一個(gè)包括寄存器在內(nèi)的5級(jí)存儲(chǔ)介質(zhì)構(gòu)成的存儲(chǔ)架構(gòu)。

　　從寄存器到磁帶，每一級(jí)存儲(chǔ)媒介的訪問(wèn)延遲和容量均依次增大，而價(jià)格卻依次降低。從圖中可以看出，寄存器的訪問(wèn)速度最快，容量最小，但成本卻最高；磁帶的訪問(wèn)速度最慢，容量最大，但是成本卻最低。通過(guò)合理搭配，可以形成一個(gè)性價(jià)比頗高的存儲(chǔ)架構(gòu)。

1.4 中斷機(jī)制

　　中斷是計(jì)算機(jī)里面的一個(gè)最為重要的機(jī)制，它也是操作系統(tǒng)獲得計(jì)算機(jī)控制權(quán)的根本保證。其基本原理是：設(shè)備在完成自己的任務(wù)后向CPU發(fā)出終端，CPU判斷優(yōu)先級(jí)，然后確定是否響應(yīng)。如果響應(yīng)，則執(zhí)行中斷服務(wù)程序，并在中斷服務(wù)程序執(zhí)行完后繼續(xù)執(zhí)行原來(lái)的程序。下圖簡(jiǎn)單地描述了中斷機(jī)制：

二、抽象

　　所謂抽象，就是在根本上存在但現(xiàn)實(shí)中不存在的東西。抽象來(lái)源于具體，但又超越具體。

　　操作系統(tǒng)提供的抽象來(lái)源于顯示，就是具體的計(jì)算機(jī)硬件，如CPU、內(nèi)存、I/O設(shè)備等等。但又超出這些現(xiàn)實(shí)，給人提供了強(qiáng)于現(xiàn)實(shí)的東西，使人和應(yīng)用軟件感覺(jué)到更多、更好的硬件存在。

　　抽象不只是操作系統(tǒng)提供給用戶的一個(gè)存在，它也存在于操作系統(tǒng)內(nèi)部。操作系統(tǒng)內(nèi)部分為不同的功能模塊，而不同功能塊之間互相提供的也是抽象。想想在我們得實(shí)際開(kāi)發(fā)中，是不是也遵循著這樣類(lèi)似的原則？針對(duì)抽象編程？面向接口編程？依賴于抽象而不依賴于具體？

三、內(nèi)核態(tài)與用戶態(tài)

殘酷的現(xiàn)實(shí)：世界上的人并非都是平等的，有些人生來(lái)占有的資源就多，而有的人占有的資源就很少。當(dāng)有些人來(lái)了，其他人就得讓出資源。程序亦是如此。

　　操作系統(tǒng)作為計(jì)算機(jī)的管理者，享有著更多的方便或權(quán)限。為了區(qū)分不同的程序的不同權(quán)限，人們發(fā)明了內(nèi)核態(tài)和用戶態(tài)的概念。

3.1 兩種狀態(tài)的概念

　　內(nèi)核態(tài)就是擁有資源多的狀態(tài)（或訪問(wèn)資源多的狀態(tài)），也稱為特權(quán)態(tài)。而用戶態(tài)則是非特權(quán)態(tài)，在用戶態(tài)下訪問(wèn)的資源會(huì)受到限制。例如，要訪問(wèn)OS的內(nèi)核數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，如進(jìn)程表等，則需要在特權(quán)態(tài)下才能做到。如果只需要訪問(wèn)用戶程序里的數(shù)據(jù)，則在用戶態(tài)下就可以了。

3.2 兩種狀態(tài)的優(yōu)勢(shì)

　　內(nèi)核態(tài)：訪問(wèn)資源多，但可靠性、安全性要求高，維護(hù)管理都比較復(fù)雜；

　　用戶態(tài)：訪問(wèn)資源有限，但可靠性、安全性要求低，維護(hù)起來(lái)比較簡(jiǎn)單；

　　那么，一個(gè)程序到底應(yīng)該運(yùn)行在內(nèi)核態(tài)還是用戶態(tài)呢？這取決于其對(duì)資源和效率的需求；下圖展示了Windows操作系統(tǒng)的內(nèi)核態(tài)與用戶態(tài)的界限，我們可以看到哪些需要在內(nèi)核態(tài)下運(yùn)行，哪些只在用戶態(tài)下運(yùn)行。

3.3 兩種狀態(tài)的本質(zhì)

　　計(jì)算機(jī)對(duì)于內(nèi)核態(tài)和用戶態(tài)的識(shí)別是通過(guò)CPU的一個(gè)狀態(tài)位來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這個(gè)狀態(tài)位是CPU狀態(tài)字里面的一個(gè)字位。所謂的用戶態(tài)、內(nèi)核態(tài)實(shí)際是CPU的一種狀態(tài)，而不是程序的狀態(tài)。通過(guò)設(shè)置該狀態(tài)字，可以使CPU處于內(nèi)核態(tài)、用戶態(tài)或者其他的子態(tài)（有的CPU有更多種子態(tài)）。

　　換句話說(shuō)：一個(gè)程序運(yùn)行時(shí)，CPU是什么態(tài)，這個(gè)程序就運(yùn)行在什么態(tài)。

　　那么，知道了是怎么實(shí)現(xiàn)的，那又是如何對(duì)用戶態(tài)的訪問(wèn)進(jìn)行限制的呢？在對(duì)用戶態(tài)下程序執(zhí)行的每一條指令進(jìn)行檢查，這種檢查又被稱為地址翻譯，即對(duì)程序發(fā)出的每一條指令都要經(jīng)過(guò)這個(gè)地址翻譯過(guò)程（你可以將其理解為我們?cè)趯?shí)際開(kāi)發(fā)中所作的權(quán)限管理，對(duì)用戶發(fā)出的每個(gè)操作請(qǐng)求首先都經(jīng)過(guò)一個(gè)Filter進(jìn)行過(guò)濾），通過(guò)對(duì)翻譯的控制，就可以限制程序?qū)Y源的訪問(wèn)。

四、操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

4.1 單一體結(jié)構(gòu)

　　單一體結(jié)構(gòu)是最早期的結(jié)構(gòu)，這時(shí)整個(gè)OS是一個(gè)巨大的單一體，運(yùn)行在內(nèi)核態(tài)下，為用戶提供服務(wù)，如下圖所示。

　　但單一體結(jié)構(gòu)各功能塊之間關(guān)系復(fù)雜，修改困難，牽一發(fā)而動(dòng)全身，且容易形成循環(huán)調(diào)用造成死鎖，于是有了下面的層次關(guān)系。

4.2 層次化結(jié)構(gòu)

　　將操作系統(tǒng)的功能分成不同的層次，低層次的功能為緊鄰其上一個(gè)層次的功能提供服務(wù)，而高層次的功能又為更高一個(gè)層次的功能提供服務(wù)，如下圖所示。

4.3 微內(nèi)核結(jié)構(gòu)

　　從單一體和層次化結(jié)構(gòu)的圖中可以看出，操作系統(tǒng)的所有功能都在內(nèi)核態(tài)下運(yùn)行。但是，從用戶態(tài)轉(zhuǎn)為內(nèi)核態(tài)是有時(shí)間成本的，這樣就會(huì)造成OS的效率低下。于是，人們將操作系統(tǒng)的核心中的核心才放在內(nèi)核態(tài)運(yùn)行，其他功能都遷移到用戶態(tài)運(yùn)行，于是就有了下面的微內(nèi)核結(jié)構(gòu)。

五、進(jìn)程、內(nèi)存和文件

5.1 進(jìn)程

　　進(jìn)程是OS中的核心概念，它指的是一個(gè)運(yùn)動(dòng)中的程序。一個(gè)程序一旦在計(jì)算機(jī)里運(yùn)行起來(lái)，它就稱為一個(gè)進(jìn)程。進(jìn)程與進(jìn)程之間可以進(jìn)行通信、同步、競(jìng)爭(zhēng)，并在一定情況下可能形成死鎖。

5.2 內(nèi)存

　　內(nèi)存是另一個(gè)核心概念，它是進(jìn)程的存放場(chǎng)所。OS要做的就是對(duì)內(nèi)存進(jìn)行管理，使得數(shù)據(jù)讀寫(xiě)高效、安全、簡(jiǎn)單。

5.3 文件

　　文件是操作系統(tǒng)提供的外部存儲(chǔ)設(shè)備的抽象，它是程序和數(shù)據(jù)的最終存放地點(diǎn)。OS要做的就是讓用戶的數(shù)據(jù)存放變得容易、方便和可靠。

六、系統(tǒng)調(diào)用

　　操作系統(tǒng)是一個(gè)系統(tǒng)程序，即為別的程序提供服務(wù)的程序。那么，操作系統(tǒng)的服務(wù)是通過(guò)什么方式提供的呢？答案就是：系統(tǒng)調(diào)用（System Call）。

　　所謂系統(tǒng)調(diào)用就是：操作系統(tǒng)提供的API，用戶通過(guò)調(diào)用這些API即可獲得操作系統(tǒng)的服務(wù)。（想想是不是跟我們現(xiàn)在所作的什么Web Service、WCF、WebAPI、開(kāi)放API之類(lèi)的一致？）例如，如果用戶程序需要進(jìn)行讀磁盤(pán)的操作，在C程序代碼中可以使用如下語(yǔ)句來(lái)操作：

    result = read(fd, buffer, nbytes);

　　這個(gè)read函數(shù)是C語(yǔ)言提供的庫(kù)函數(shù)，而這個(gè)庫(kù)函數(shù)本身則是調(diào)用的操作系統(tǒng)的read系統(tǒng)調(diào)用。具體的系統(tǒng)調(diào)用過(guò)程不是我們討論的重點(diǎn)，但我們還是可以通過(guò)下圖來(lái)看看這個(gè)read系統(tǒng)調(diào)用的過(guò)程。

參考資料

鄒恒明，《操作系統(tǒng)之哲學(xué)原理》，機(jī)械工業(yè)出版社