一、操作系統

會使用linux系統
建議大家先學會linux的基礎指令，可以看菜鳥教程網站進行學習。

1、各種定義

• 操作系統定義
  • 管理計算機的 硬件 和軟件資源， 能對各類作業進行調度，方便用戶使用計算機的程序集合。
  • 操作系統運行在內核態（也叫管態，核心態）。在這個狀態，操作系統可以對所有的硬件訪問。

注意：操作系統是最基礎的軟件。

• 用戶接口程序定義
  • 用戶接口程序有shell和GUI
    • shell：用戶與操作系統交互的程序，基于文本的是shell。
    • GUI：用戶與操作系統交互的程序，基于圖標的是GUI。

注意：用戶接口程序并不屬于操作系統。

• 信息
  • 位（bit）+ 上下文（context）= 信息
    • 位（Bit） 是計算機中最小的數據單位，表示一個二進制的 0 或 1。
    • 上下文 是數據所處的環境或規則，決定了如何解釋這些位。
  • ASCII碼構成的文件就是文本文件
  • 其余是二進制文件
• 內核態和用戶態
  • 內核態：
    • 操作系統的“核心大腦”，權限高但需謹慎操作。
  • 用戶態：
    • 普通程序的“沙箱”，權限受限但安全。
      • 所以操作系統會把一部分代碼放在內核態，另一部分放在用戶態來保證安全。
• 程序接口
  • 普通用戶無法直接使用程序接口，而是使用系統調用來用程序接口。

2、程序被其他程序翻譯成不同格式

在linux的gcc編譯器下。我們有一些對文件的操作。操作系統和編譯器是輔助關系。

這些操作是【巧妙記憶：ESc iso】
①預處理階段：

• 使用gcc -E xxx.c -o xxx.i命令
• 作用：處理 #include、#define、#ifdef 等預處理指令。

②編譯階段：

• 使用gcc -S xxx.i -o xxx.s命令
• 作用：將預處理后的代碼轉換為匯編代碼。

③匯編階段：

• 使用gcc -c xxx.s -o xxx.o命令
• 作用：將匯編代碼轉換為機器碼（二進制目標文件）。

④鏈接階段：

• 使用gcc xxx.o -o xxxx命令
• 作用：將目標文件與庫文件（如 libc.so）鏈接，生成可執行文件。

如果我們使用world.c文件進行以上操作。那這4個階段將構成編譯系統（compilation system）。那么命令的執行過程如下圖：

3、面臨的問題

當一個代碼輸入到操作系統上，我們的硬盤【不同的用戶，硬盤的來源是不同的，材質會不同等等】該如何讀取呢？等等。
所以我們就需要用到操作系統的4個重大部分，也是未來學習的過程中重點知識。

• 運行任務的管理：進程和線程、調度和同步機制
• 運行任務的存儲管理：內存管理
• 運行任務的外設管理：I/O設備
• 存儲數據設備的管理：文件管理

二、硬件

上面這張就是一個硬件分布圖【看看就行了，不要死記硬背】。

1、CPU

中央處理單元（CPU），簡稱處理器。

• CPU作用：處理和執行指令。
• CPU的寄存器：存儲下一條要執行的指令。
  • 通用寄存器
  • 程序計數器（PC）
    • 作用：存儲下一條要執行的指令的內存地址。
  • 堆棧指針（SP）
    • 作用：指向當前堆棧的頂部地址，管理函數調用時的棧操作。能保護信息和恢復信息。
  • 指令寄存器（IR）
    • 作用：存放當前執行指令。
  • 狀態寄存器（FLAGS）
    • 作用：記錄運算結果狀態（如零標志ZF、進位標志CF）。
    • PSW：并不是一直需要保存，而是運行狀態才需要。在記錄狀態【已經沒有運行了】不用。
• CPU的算術邏輯單元ALU
  • 作用：執行算術和邏輯運算。
• 指令集架構
  • 處理器想要處理一條指令，也需要通過一定的規則，這個規則就是指令集架構。
  • 指令類型如下：
    • 加載指令：用于將數據從內存加載到寄存器中。
    • 存儲指令：用于將數據從寄存器存回到內存中。
    • 運算指令：用于對來自寄存器和內存的操作數進行運算，例如 add 指令將兩個操作數相加并將結果保存在寄存器或內存中。
• CPU的流水線
  • 當CPU正在執行第N條指令時，它可以同時解碼第N+1條指令，并讀取第N+2條指令，這種形式就叫流水線。
  • 
• CPU的超標量
  • CPU中可以有多個執行單元，例如一個做加法運算，一個做乘法運算。在它們做運算的時候，把許多取指單元和解碼單元放入緩存區（cache）中，等到某一個執行單元有空了，就把緩存區中的它們拿一個出來執行。雖然看起來指令亂序了，實際上工作人員肯定設計方法來有序進行。
  • 

2、內存

理想情況下，內存應該是非常快速的（比執行一條指令還要快，以避免拖慢CPU的執行效率），同時容量足夠大且成本低廉。然而，當前的技術手段無法同時滿足這三個要求。因此，存儲系統采用了一種分層次的結構來解決這個問題。

2.1、 寄存器

• 寄存器與CPU同樣的材質，跟CPU一樣快

2.2、 高速緩存（Cache）

• 位于CPU與主存（內存）之間的超高速臨時存儲器，由SRAM構成，用于減少CPU訪問數據的延遲。
• 局部性原理：
  • 是指：CPU訪問存儲器的時候，無論是讀指令還是存取數據，所訪問的存儲單元都被區域聚集到一個連續區域中了。也就是說程序具有訪問局部區域里的數據和代碼的趨勢。

2.3、主存

• 主存是指計算機中用于臨時存儲正在運行的程序和數據的硬件部件，屬于RAM（隨機存取存儲器）。斷電后數據丟失（易失性）。
• ROM（只讀存儲器） 斷電后不數據丟失，一旦ROM存儲了數據，那么數據就不能被修改了。
• EEPROM（電可擦可編程只讀存儲器）和 閃存（Flash Memory）與ROM不同，支持數據的擦除和重新寫入【重寫數據來修正程序錯誤】。
• CMOS（Complementary Metal-Oxide Semiconductor，互補金屬氧化物半導體） 存儲器
  • 作用：存儲BIOS/UEFI設置（如啟動順序、日期時間、硬件參數）。確保即使在電源關閉后也能持續追蹤這些關鍵數據。
  • 特性：易失性存儲器，依賴**紐扣電池（CR2032）**維持數據（斷電后不丟失）。

2.4、磁盤

在市面上的磁盤有2類，我們先看機械磁盤，然后看固態磁盤。
推薦觀看這個視頻，用的《CSAPP》書講解

2.4.1、機械磁盤（HDD）

主體結構介紹

• 盤片（platter）：上圖中的圓盤就是盤片。上面有磁性的記錄材料，可以記錄數據。
  • 盤面（surface）：每個盤片有2個面 ，這個面就是盤面。
• 主軸（spindle）：可以旋轉。主軸帶動盤片以固定的速率高速旋轉。
• 讀/寫頭：來讀寫盤面表面存儲的數據。上下盤面都有一個讀/寫頭.
  • 所有的讀寫頭都是一起運動的，垂直并列。
• 磁盤臂：通過磁盤臂的運動就可以運行讀寫數據的行為了。如果需要讀取目標文件，盤面就會旋轉起來。
  • 尋找位置的這個過程【不包括旋轉】叫尋道。
  • 

細節分析

先是磁道

• 磁道：盤面的表面劃分了一圈圈的磁道
  • 扇區：磁道里面有許多扇區。
    • 扇區與扇區之間有一些小間隙，存儲的不是 數據 而是 標識信息。
      

然后單位

• byte是字節單位，不要理解成比特bit了。
• 在I/O設備里的單位是不同的。如下圖
  
  

然后對扇區的訪問時間主要分布為3個部分

扇區訪問時間 = 尋道時間+旋轉時間+傳送時間

• 尋道時間：磁盤臂尋道過程的時間。
• 旋轉時間：盤片旋轉將請求數據所在扇區移至讀寫磁頭下方所需要的時間
• 傳送時間：完成傳輸所請求的數據所需要的時間。

單位

• 扇區： 硬盤的最小讀寫單元
• 塊/簇： 是操作系統針對硬盤讀寫的最小單元
• page： 是內存與操作系統之間操作的最小單元。

2.4.2、固態硬盤（SSD）

在現在的電腦幾乎都是固態硬盤了。固態硬盤的缺陷就是容易磨損。推薦看這個視頻了解

• 固態硬盤由一個或多個閃存芯片構成的。
  • 使用閃存芯片 取代了 傳統的機械臂轉動和盤片旋轉方式。
• 閃存轉換站（FTL）
  • 功能與磁盤控制器類似：都是將操作系統對邏輯塊的請求 翻譯成 對底層物理設備的訪問。
• 固態硬盤的擦除操作
  • 固態硬盤除了讀/寫操作，還多了擦除操作。
  • 但是擦除只能把1 變成 0 ，而不能把0 變成1 。 所以每一個page在放入數據前都是 1 。
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3、I/O設備

3.1、定義

I/O設備就是可以將數據輸入到計算機 或者 可以接收計算機輸出數據的外部設備 ， 屬于計算機的硬件部分。

3.2、分類

3.2.1、按使用特性分類

• 人機交互類 外部設備：數據傳輸慢---->用于人機交互
• 存儲設備：數據傳輸快---->用于數據存儲
• 網絡通信設備：數據傳輸介于2者之間---->用于網絡通信

3.2.2、按傳輸速率分類

• 低速設備：每秒幾個到幾百字節
• 中速設備：每秒千到萬字節
• 高速設備：每秒可以到千兆字節

3.2.3、按信息交換的單位

• 塊設備：傳輸速率較高，可尋址，即對它可隨機地讀/寫任一塊。
• 字符設備：傳輸速率較慢，不可尋址。在輸入/輸出時，常采用中斷驅動方式。

4、設備控制器和設備驅動器

設備控制器【硬件】：負責直接控制物理設備，能夠接收并執行來自操作系統的指令。
設備驅動器【軟件】：設備控制器通過設備驅動器利用中斷與操作系統通信。

5、實現輸入和輸出的方式有三種

• 忙等待：一直循環直到需要的條件滿足。會一直占據CPU，CPU一直輪詢I/O設備直到I/O操作完成。
• 設備驅動程序啟動設備并且讓該設備在操作完成時發生中斷，設備驅動程序在這個時刻返回。操作系統接著在需要時阻塞調用者并安排其他工作進行。當設備驅動程序檢測到該設備操作完成時，它發出一個 中斷 通知操作完成。
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• 引入DMA控制器，代替CPU直接管理I/O設備與內存之間的數據傳輸。【直接存儲器訪問(Direct Memory Access, DMA) 芯片】