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操作系統(tǒng)是什么原理
我們每天都同操作系統(tǒng)打交道，了解一些操作系統(tǒng)原理上的知識是絕對有必要的，它可以讓你了解操作系統(tǒng)內(nèi)部是怎么工作的，為什么會出現(xiàn)這樣那樣的問題，為我們解決這些問題提供思路。下面是小編為大家整理的操作系統(tǒng)原理的介紹，供大家參考。更多內(nèi)容請關(guān)注應(yīng)屆畢業(yè)生網(wǎng)!
Q:什么是中斷?
A:中斷嘛，舉個容易理解的例子吧。
比如蓮蓮和唐唐在下象棋，眼看蓮蓮就快招架不住了，正當(dāng)此緊要關(guān)頭，唐唐的女友來了，非要唐唐陪她上街買衣服不可(唐唐暈倒:-) )，于是唐唐不得不同蓮蓮商量，先把棋盤封了，待買完衣服后繼續(xù)戰(zhàn)斗。掌燈時分，唐唐帶著滿臉疲憊回到了棋盤前，結(jié)果蓮蓮不費吹灰只力便反敗為勝。
這就是整個中斷過程。我們來看看中斷過程是如何發(fā)生的：
1)中斷請求：唐唐的女友要他逛街
2)中斷響應(yīng)：唐唐準(zhǔn)備放下棋局陪女友逛街
3)現(xiàn)場保護(hù)：先把棋盤封了
4)中斷處理：唐唐陪女友逛街買衣服
5)恢復(fù)現(xiàn)場：把棋盤解封
6)中斷返回：繼續(xù)戰(zhàn)斗
在計算機(jī)中，中斷機(jī)制是非常重要的，它用于協(xié)調(diào)系統(tǒng)對各種外部事件的響應(yīng)和處理，并且是實現(xiàn)多任務(wù)的必要條件�？梢赃@么說，如果沒有中斷機(jī)制，就沒有計算機(jī)。噢，對了，如果唐唐把棋移到密室中下，不讓他的女友打擾，這就叫“中斷屏蔽”。
Q:RING3、RING0是什么意思?
A:這得從CPU指令系統(tǒng)(用于控制CPU完成各種功能的命令)的特權(quán)級別說起。
在CPU的所有指令中，有一些指令是非常危險的，如果錯用，將導(dǎo)致整個系統(tǒng)崩潰。比如：清內(nèi)存、設(shè)置時鐘等。如果所有的程序都能使用這些指令，那么你的系統(tǒng)一天死機(jī)n回就不足為奇了。所以，CPU將指令分為特權(quán)指令和非特權(quán)指令，對于那些危險的指令，只允許操作系統(tǒng)及其相關(guān)模塊使用，普通的應(yīng)用程序只能使用那些不會造成災(zāi)難的指令。形象地說，特權(quán)指令就是那些兒童不宜的東東，而非特權(quán)指令則是老少皆宜。
Intel的CPU將特權(quán)級別分為4個級別：RING0,RING1,RING2,RING3。Windows只使用其中的兩個級別RING0和RING3，RING0只給操作系統(tǒng)用，RING3誰都能用。
如果普通應(yīng)用程序企圖執(zhí)行RING0指令，則Windows會顯示“非法指令”錯誤信息。盡管有CPU的特權(quán)級別作保護(hù)，遺憾的是WINDOW98本身漏洞很多，使用Windows 98的系統(tǒng)一天死機(jī)n回也是正常的。
Q:為什么要有操作系統(tǒng)?
A:哈哈，難道你還沒感受到操作系統(tǒng)的魅力嗎?因為有了象Windows這樣優(yōu)秀的操作系統(tǒng)，我們的機(jī)器才一天到晚地出問題——這個那個的問題，我們才需要一天到晚地重裝Windows，這樣才使我們牢牢地記住了象微軟這樣的公司的名字，和象比爾蓋茨這樣優(yōu)秀的程序員兼老板的名字……好了，說正經(jīng)的，盡管Windows不穩(wěn)定，但絕對不能否認(rèn)它是當(dāng)今最優(yōu)秀的操作系統(tǒng)之一。操作系統(tǒng)在計算機(jī)中起著重要作用，它為所有的應(yīng)用程序提供一個運行環(huán)境，并將應(yīng)用程序同具體硬件隔離。比如在機(jī)器中換一塊聲卡，只需要重新安裝一下聲卡驅(qū)動程序就完事了，但如果沒有操作系統(tǒng)，你就必須為這塊新的聲卡重新購買所有的應(yīng)用程序，以便這些應(yīng)用程序能夠認(rèn)識這塊聲卡并能夠使用它。
操作系統(tǒng)就象計算機(jī)的大管家，管理著計算機(jī)的各種資源，比如內(nèi)存、磁盤、CPU等。應(yīng)用程序想使用這些資源，都必須經(jīng)過操作系統(tǒng)同意(資源申請)，并且由操作系統(tǒng)統(tǒng)一安排使用時間(資源分配)，應(yīng)用程序用完后必須將資源還給操作系統(tǒng)(資源回收)，以便其他應(yīng)用程序使用。就這樣，計算機(jī)系統(tǒng)在操作系統(tǒng)的管理下以最可能高的效率有條不紊地工作著。
Q:什么叫進(jìn)程?進(jìn)程同程序有什么區(qū)別?
A:進(jìn)程是程序在計算機(jī)上的一次執(zhí)行活動。當(dāng)你運行一個程序，你就啟動了一個進(jìn)程。顯然，程序是死的(靜態(tài)的)，進(jìn)程是活的(動態(tài)的)。
進(jìn)程可以分為系統(tǒng)進(jìn)程和用戶進(jìn)程。凡是用于完成操作系統(tǒng)的各種功能的進(jìn)程就是系統(tǒng)進(jìn)程，它們就是處于運行狀態(tài)下的操作系統(tǒng)本身;用戶進(jìn)程就不必我多講了吧，所有由你啟動的進(jìn)程都是用戶進(jìn)程。
進(jìn)程是操作系統(tǒng)進(jìn)行資源分配的單位。在Windows下，進(jìn)程又被細(xì)化為線程，也就是一個進(jìn)程下有多個能獨立運行的更小的單位。
Q:什么是多任務(wù)?
A:在同一個時間里，同一個計算機(jī)系統(tǒng)中如果允許兩個或兩個以上的進(jìn)程處于運行狀態(tài)，這便是多任務(wù)。現(xiàn)代的操作系統(tǒng)幾乎都是多任務(wù)操作系統(tǒng)，能夠同時管理多個進(jìn)程的運行。多任務(wù)帶來的好處是明顯的，比如你可以邊聽mp3邊上網(wǎng)，與此同時甚至可以將下載的文檔打印出來，而這些任務(wù)之間絲毫不會相互干擾。
Q:什么是“并發(fā)”?什么是“并行”?
A:俗話說，一心不能二用，這對計算機(jī)也一樣，原則上一個CPU只能分配給一個進(jìn)程，以便運行這個進(jìn)程。我們通常使用的計算機(jī)中只有一個CPU，也就是說只有一顆心，要讓它一心多用，同時運行多個進(jìn)程，就必須使用并發(fā)技術(shù)。
實現(xiàn)并發(fā)技術(shù)相當(dāng)復(fù)雜，最容易理解的是“時間片輪轉(zhuǎn)進(jìn)程調(diào)度算法”，它的思想簡單介紹如下：
在操作系統(tǒng)的管理下，所有正在運行的進(jìn)程輪流使用CPU，每個進(jìn)程允許占用CPU的時間非常短(比如10毫秒)，這樣用戶根本感覺不出來CPU是在輪流為多個進(jìn)程服務(wù)，就好象所有的進(jìn)程都在不間斷地運行一樣。但實際上在任何一個時間內(nèi)有且僅有一個進(jìn)程占有CPU。如果一臺計算機(jī)有多個CPU，情況就不同了，如果進(jìn)程數(shù)小于CPU數(shù)，則不同的進(jìn)程可以分配給不同的CPU來運行，這樣，多個進(jìn)程就是真正同時運行的，這便是并行。但如果進(jìn)程數(shù)大于CPU數(shù)，則仍然需要使用并發(fā)技術(shù)。在Windows中，進(jìn)行CPU分配是以線程為單位的，一個進(jìn)程可能由多個線程組成，這時情況更加復(fù)雜，但簡單地說，有如下關(guān)系：
總線程數(shù) <= CPU數(shù)量：并行運行
總線程數(shù) > CPU數(shù)量：并發(fā)運行
并行運行的效率顯然高于并發(fā)運行，所以在多CPU的計算機(jī)中，多任務(wù)的效率比較高。但是，如果在多CPU計算機(jī)中只運行一個進(jìn)程(線程)，就不能發(fā)揮多CPU的優(yōu)勢。值得注意的是，Windows 9x并不支持多CPU系統(tǒng)，如果在多CPU系統(tǒng)上安裝Windows 9x，有再多的CPU也是白搭。
Q:什么叫“可搶占式多任務(wù)”?
A:進(jìn)程是有優(yōu)先級的。如果即將被運行的進(jìn)程的優(yōu)先級比正在運行的進(jìn)程的優(yōu)先級高，則系統(tǒng)可以強(qiáng)行剝奪正在運行的進(jìn)程的CPU，讓優(yōu)先級高的進(jìn)程先運行。
可見，人類社會的特權(quán)思想在計算機(jī)世界中表現(xiàn)得多么淋漓盡致。:-)實際的操作系統(tǒng)一般將時間片思想同可強(qiáng)占思想結(jié)合起來進(jìn)行CPU分配。
可搶占式多任務(wù)的好處是很多的，比如當(dāng)一個進(jìn)程發(fā)生意外無法運行時，如果不能強(qiáng)行剝奪其CPU占有權(quán)，則整個系統(tǒng)都得癱瘓，由于早期的Windows 3.1不是可搶占式多任務(wù)系統(tǒng)，所以Windows 3.1非常不可靠。
Q:多個進(jìn)程在并發(fā)/并行運行過程中會產(chǎn)生沖突嗎?
A:如果沒有任何保護(hù)機(jī)制，肯定是會的。這種沖突一般發(fā)生在對資源的爭奪上。
顯然，如果一條馬路窄到只能通過一輛馬車，則當(dāng)有兩輛馬車想同時通過時，某個馬車夫就必須發(fā)揚(yáng)風(fēng)格，先讓一讓，否則結(jié)果肯定是人仰馬翻。
操作系統(tǒng)細(xì)心地管理著這一切，以避免進(jìn)程間的沖突，程序員們也常常需要細(xì)心地按照某種既定規(guī)則編寫程序，以便操作系統(tǒng)管理。
更具體的方法、原理已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了初學(xué)者能接受的水平，我還是把它略去吧。
Q:什么是虛擬存儲器?
A:虛擬存儲技術(shù)是非常重要的存儲管理技術(shù)，它的核心思想是利用巨大的硬盤空間來彌補(bǔ)不足的實際內(nèi)存空間。在虛擬內(nèi)存管理下，應(yīng)用程序可以使用的存儲空間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實際的內(nèi)存大小。我們將一臺計算機(jī)實際安裝的內(nèi)存稱為物理存儲器，將通過虛擬存儲技術(shù)得到的比實際內(nèi)存空間大得多的存儲空間成為虛擬存儲器。虛擬存儲技術(shù)的實現(xiàn)也是非常復(fù)雜，如果細(xì)講的話肯定又是吃力不討好，這里只提一提最簡單的思想。內(nèi)存單元在計算機(jī)中是有編號的，叫內(nèi)存地址。如果你的計算機(jī)中有1M物理內(nèi)存(天哪，286的說?呵呵，舉例子方便嘛)，則物理內(nèi)存的地址范圍為0到1048575(1024 x 1024 - 1)。
如果想訪問地址為1048576的單元，顯然是不可以的，因為最大只到1048575了。但是，如果這時我將物理內(nèi)存中所有的東西先保存到硬盤上，然后通過某種方法將1048576映射到地址為0的物理存儲單元上，我不就又得到另外整整一個M的存儲空間了嗎，當(dāng)程序要訪問地址為0的單元時，我把原先存儲在硬盤上的內(nèi)容調(diào)回物理內(nèi)存中就可以了。這個想法夠巧妙吧，它就是虛擬存儲技術(shù)的核心思想。于是我就可以得到n個1M空間了。真正的虛擬存儲管理比上面我所提的還要復(fù)雜、巧妙得多，它能夠?qū)崿F(xiàn)讓不同的進(jìn)程在不同的地址空間上運行(即讓每個進(jìn)程認(rèn)為自己占有所有的存儲空間，可以任意使用，不必在乎系統(tǒng)中的其他進(jìn)程是如何使用存儲空間的。這猶如讓不同的進(jìn)程運行在不同的計算機(jī)上)，并且要考慮最優(yōu)的內(nèi)存使用效率。
Q:如果一個進(jìn)程訪問了不屬于自己地址空間內(nèi)的存儲單元，會發(fā)生什么情況?
A:在Windows下你肯定會看到一個“該程序執(zhí)行了非法操作，即將被關(guān)閉……”
之類的對話框�？吹竭@樣的對話框常令我們無比沮喪，但這是操作系統(tǒng)必須做的事，我們稱它為“存儲保護(hù)”。存儲保護(hù)的目的是保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)程不被用戶進(jìn)程破壞，不允許進(jìn)程讀寫不屬于自己的區(qū)域。道理是很簡單的：考試的時候，你只被允許在自己的試卷上面作答，如果你想看別人的試卷，甚至想改別人試卷上的內(nèi)容，你就“執(zhí)行了非法操作”，肯定是要被監(jiān)考“關(guān)閉”
的(前提是監(jiān)考人員工作正常，否則就亂了套了，會有很嚴(yán)重的后果)。
注意：在Windows中引起系統(tǒng)關(guān)閉一個進(jìn)程的原因很多，除了非法讀寫其他進(jìn)程存儲區(qū)(地址越界)外，還有如執(zhí)行了只有操作系統(tǒng)才能執(zhí)行的ring0指令、程序中出現(xiàn)除數(shù)為0的情況等等。
Q:什么是硬盤分區(qū)?
A:最早的時候，操作系統(tǒng)無法管理較大的硬盤空間，所以將一個大的硬盤空間分為多個較小的區(qū)域以便于管理。另外，有時需要在系統(tǒng)中安裝多個操作系統(tǒng)，也需要將硬盤分為不同的區(qū)域，讓不同的操作系統(tǒng)分別管理，互不干擾。
現(xiàn)在已經(jīng)沒有因為操作系統(tǒng)無法管理大硬盤而需要對硬盤進(jìn)行分區(qū)的可能性了，但我們?nèi)匀粚τ脖P進(jìn)行分區(qū)，除了安裝多個操作系統(tǒng)外，主要的還是為了對各種文件進(jìn)行管理比較方便。
操作系統(tǒng)為不同的硬盤分區(qū)賦予不同的盤符，這樣就在邏輯上把一個大硬盤分割成了多個小硬盤。
Q:什么是硬盤分區(qū)的主引導(dǎo)記錄?
A:主引導(dǎo)記錄是每個硬盤分區(qū)的命根子，上面記錄著一個分區(qū)所占用的硬盤空間的位置等重要信息。如果一個分區(qū)的主引導(dǎo)記錄被破壞，這個分區(qū)就算玩完了。
Q:什么是活動分區(qū)?
A:活動分區(qū)是在系統(tǒng)加電后具有自舉(引導(dǎo)系統(tǒng))能力的分區(qū)，在活動分區(qū)上的主引導(dǎo)記錄中有一段主引導(dǎo)程序，每當(dāng)系統(tǒng)啟動后，這段程序被調(diào)入內(nèi)存運行，以引導(dǎo)(啟動)保存在硬盤上的操作系統(tǒng)。不同的操作系統(tǒng)引導(dǎo)的方法是不同的，所以這段主引導(dǎo)程序隨著系統(tǒng)上安裝的操作系統(tǒng)的不同而不同。
Q:Windows是怎樣儲存磁盤文件的?
A:首先，Windows以“簇”為單位使用硬盤上的空間。根據(jù)硬盤空間的大小，一個簇的大小是不一樣的。一般說，簇越小，硬盤空間的利用率越大，簇越大，存儲速度越快。每個文件必須被分成以簇的大小為單位的多個塊，然后儲存在硬盤上。為此，需要一個表格來記錄一個文件被分成的塊都儲存在硬盤的哪些簇上，這個表格在Win9x中就是FAT表。FAT表也儲存在硬盤上。所以，F(xiàn)AT表是文件系統(tǒng)的命根子，破壞了它，一個磁盤所有的文件就玩完了。于是，Windows除了使用一個FAT表外，還會備份一個。
Q:什么是文件目錄表?
A:文件目錄表同F(xiàn)AT表一樣是非常重要的，它記錄著所有文件的文件名、屬性和在FAT表中的起始位置。當(dāng)你需要讀寫一個文件時，Windows就從文件目錄表中找這個文件，如果找到，按照文件目錄表中所指示的該文件在FAT表中的起始位置讀出FAT表中與這個文件有關(guān)的存儲信息，就可以讀寫這個文件了。
Q:什么叫虛擬設(shè)備?
A:不同的I/O設(shè)備速度有快有慢。在操作系統(tǒng)中，為了有效地利用各種設(shè)備，可以使用高速設(shè)備來模擬低速設(shè)備，從而得到的就是虛擬設(shè)備。
在Windows中典型的例子就是打印機(jī)。我們不難發(fā)現(xiàn)在啟動打印時打印機(jī)并沒有工作，而是硬盤在響，然后所有的打印文檔都進(jìn)入打印隊列，排隊打印。在前一個文檔還在打印機(jī)上打印的時候，下一個文檔已經(jīng)進(jìn)入打印隊列，提交這個文檔的進(jìn)程無須等待打印機(jī)將這個文檔打印完畢，就可以繼續(xù)處理別的事情了。
這是由于Windows使用硬盤模擬打印機(jī)。所有的打印工作實際上都“打印”到了硬盤上。硬盤速度比打印機(jī)快得多，所以一下子就完成了。此時有另一個進(jìn)程負(fù)責(zé)從硬盤上讀出打印數(shù)據(jù)，打印到實際的打印機(jī)上，這個進(jìn)程在后臺工作，不影響前臺的其他進(jìn)程。
Q:什么是與設(shè)備無關(guān)性(設(shè)備獨立性)?
A:計算機(jī)的外部設(shè)備很多，同種類型的設(shè)備又有不同廠家、不同型號的產(chǎn)品。這些產(chǎn)品總會有些細(xì)微的差別。這就給應(yīng)用程序的編寫帶來很大的困難，因為一個應(yīng)用程序不可能顧及到所有硬件的兼容性。為此，操作系統(tǒng)將具體的硬件設(shè)備同整個系統(tǒng)隔離開來，對硬件的具體操作、與硬件有關(guān)的兼容性問題等統(tǒng)統(tǒng)由設(shè)備驅(qū)動程序來解決，同時操作系統(tǒng)向應(yīng)用程序提供統(tǒng)一的操縱設(shè)備的方法，應(yīng)用程序只需要按套路調(diào)用操作系統(tǒng)提供的功能即可，無須關(guān)心實際的設(shè)備是什么，這就是與設(shè)備無關(guān)性。
這樣，每增添或改動一個系統(tǒng)上的硬件，只需要安裝相應(yīng)的驅(qū)動程序即可。
Q:什么是緩沖(buffering)技術(shù)?
A:在數(shù)據(jù)到達(dá)與離去速度不匹配的地方，就應(yīng)該使用緩沖技術(shù)。緩沖技術(shù)好比是一個水庫，如果上游來的水太多，下游來不及排走，水庫就起到“緩沖”作用，先讓水在水庫中停一些時候，等下游能繼續(xù)排水，再把水送往下游。
通常CPU的速度要比I/O設(shè)備的速度快得多得多，所以可以設(shè)置緩沖區(qū)，對于從CPU來的數(shù)據(jù)，先放在緩沖區(qū)中，然后設(shè)備可以慢慢地從緩沖區(qū)中讀出數(shù)據(jù)。
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