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写给大忙人看的操作系统(二)

简介: Java建设者
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主存


在上面的层次结构中再下一层是主存,这是内存系统的主力军,主存通常叫做 RAM(Random Access Memory),由于 1950 年代和 1960 年代的计算机使用微小的可磁化铁氧体磁芯作为主存储器,因此旧时有时将其称为核心存储器。所有不能再高速缓存中得到满足的内存访问请求都会转往主存中。

除了主存之外,许多计算机还具有少量的非易失性随机存取存储器。它们与 RAM 不同,在电源断电后,非易失性随机访问存储器并不会丢失内容。ROM(Read Only Memory) 中的内容一旦存储后就不会再被修改。它非常快而且便宜。(如果有人问你,有没有什么又快又便宜的内存设备,那就是 ROM 了)在计算机中,用于启动计算机的引导加载模块(也就是 bootstrap )就存放在 ROM 中。另外,一些 I/O 卡也采用 ROM 处理底层设备控制。

EEPROM(Electrically Erasable PROM,)闪存(flash memory) 也是非易失性的,但是与 ROM 相反,它们可以擦除和重写。不过重写它们需要比写入 RAM 更多的时间,所以它们的使用方式与 ROM 相同,但是与 ROM 不同的是他们可以通过重写字段来纠正程序中出现的错误。

闪存也通常用来作为便携性的存储媒介。闪存是数码相机中的胶卷,是便携式音乐播放器的磁盘。闪存的速度介于 RAM 和磁盘之间。另外,与磁盘存储器不同的是,如果闪存擦除的次数太多,会出现磨损。

还有一类是 CMOS,它是易失性的。许多计算机都会使用 CMOS 存储器保持当前时间和日期。


磁盘


下一个层次是磁盘(硬盘),磁盘同 RAM 相比,每个二进制位的成本低了两个数量级,而且经常也有两个数量级大的容量。磁盘唯一的问题是随机访问数据时间大约慢了三个数量级。磁盘访问慢的原因是因为磁盘的构造不同

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磁盘是一种机械装置,在一个磁盘中有一个或多个金属盘片,它们以 5400rpm、7200rpm、10800rpm 或更高的速度旋转。从边缘开始有一个机械臂悬横在盘面上,这类似于老式播放塑料唱片 33 转唱机上的拾音臂。信息会写在磁盘一系列的同心圆上。在任意一个给定臂的位置,每个磁头可以读取一段环形区域,称为磁道(track)。把一个给定臂的位置上的所有磁道合并起来,组成了一个柱面(cylinder)

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每个磁道划分若干扇区,扇区的值是 512 字节。在现代磁盘中,较外部的柱面比较内部的柱面有更多的扇区。机械臂从一个柱面移动到相邻的柱面大约需要 1ms。而随机移到一个柱面的典型时间为 5ms 至 10ms,具体情况以驱动器为准。一旦磁臂到达正确的磁道上,驱动器必须等待所需的扇区旋转到磁头之下,就开始读写,低端硬盘的速率是50MB/s,而高速磁盘的速率是 160MB/s

需要注意,固态硬盘(Solid State Disk, SSD)不是磁盘,固态硬盘并没有可以移动的部分,外形也不像唱片,并且数据是存储在存储器(闪存)中,与磁盘唯一的相似之处就是它也存储了大量即使在电源关闭也不会丢失的数据。

许多计算机支持一种著名的虚拟内存机制,这种机制使得期望运行的存储空间大于实际的物理存储空间。其方法是将程序放在磁盘上,而将主存作为一部分缓存,用来保存最频繁使用的部分程序,这种机制需要快速映像内存地址,用来把程序生成的地址转换为有关字节在 RAM 中的物理地址。这种映像由 CPU 中的一个称为 存储器管理单元(Memory Management Unit, MMU) 的部件来完成。

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缓存和 MMU 的出现是对系统的性能有很重要的影响,在多道程序系统中,从一个程序切换到另一个程序的机制称为 上下文切换(context switch),对来自缓存中的资源进行修改并把其写回磁盘是很有必要的。


I/O 设备


CPU 和存储器不是操作系统需要管理的全部,I/O 设备也与操作系统关系密切。可以参考上面这个图片,I/O 设备一般包括两个部分:设备控制器和设备本身。控制器本身是一块芯片或者一组芯片,它能够控制物理设备。它能够接收操作系统的指令,例如,从设备中读取数据并完成数据的处理。

在许多情况下,实际控制设备的过程是非常复杂而且存在诸多细节。因此控制器的工作就是为操作系统提供一个更简单(但仍然非常复杂)的接口。也就是屏蔽物理细节。任何复杂的东西都可以加一层代理来解决,这是计算机或者人类社会很普世的一个解决方案

I/O 设备另一部分是设备本身,设备本身有一个相对简单的接口,这是因为接口既不能做很多工作,而且也已经被标准化了。例如,标准化后任何一个 SATA 磁盘控制器就可以适配任意一种 SATA 磁盘,所以标准化是必要的。ATA 代表 高级技术附件(AT Attachment),而 SATA 表示串行高级技术附件(Serial ATA)

AT 是啥?它是 IBM 公司的第二代个人计算机的高级技术成果,使用 1984 年推出的 6MHz 80286 处理器,这个处理器是当时最强大的。

像是高级这种词汇应该慎用,否则 20 年后再回首很可能会被无情打脸。

现在 SATA 是很多计算机的标准硬盘接口。由于实际的设备接口隐藏在控制器中,所以操作系统看到的是对控制器的接口,这个接口和设备接口有很大区别。

每种类型的设备控制器都是不同的,所以需要不同的软件进行控制。专门与控制器进行信息交流,发出命令处理指令接收响应的软件,称为 设备驱动程序(device driver)。每个控制器厂家都应该针对不同的操作系统提供不同的设备驱动程序。

为了使设备驱动程序能够工作,必须把它安装在操作系统中,这样能够使它在内核态中运行。要将设备驱动程序装入操作系统,一般有三个途径

  • 第一个途径是将内核与设备启动程序重新连接,然后重启系统。这是 UNIX 系统采用的工作方式
  • 第二个途径是在一个操作系统文件中设置一个入口,通知该文件需要一个设备驱动程序,然后重新启动系统。在重新系统时,操作系统回寻找有关的设备启动程序并把它装载,这是 Windows 采用的工作方式
  • 第三个途径是操作系统能够在运行时接收新的设备驱动程序并立刻安装,无需重启操作系统,这种方式采用的少,但是正变得普及起来。热插拔设备,比如 USB 和 IEEE 1394 都需要动态可装载的设备驱动程序。

每个设备控制器都有少量用于通信的寄存器,例如,一个最小的磁盘控制器也会有用于指定磁盘地址、内存地址、扇区计数的寄存器。要激活控制器,设备驱动程序回从操作系统获取一条指令,然后翻译成对应的值,并写入设备寄存器中,所有设备寄存器的结合构成了 I/O 端口空间

在一些计算机中,设备寄存器会被映射到操作系统的可用地址空间,使他们能够向内存一样完成读写操作。在这种计算机中,不需要专门的 I/O 指令,用户程序可以被硬件阻挡在外,防止其接触这些存储器地址(例如,采用基址寄存器和变址寄存器)。在另一些计算机中,设备寄存器被放入一个专门的 I/O 端口空间,每个寄存器都有一个端口地址。在这些计算机中,特殊的 INOUT 指令会在内核态下启用,它能够允许设备驱动程序和寄存器进行读写。前面第一种方式会限制特殊的 I/O 指令但是允许一些地址空间;后者不需要地址空间但是需要特殊的指令,这两种应用都很广泛。


实现输入和输出的方式有三种

  • 在最简单的方式中,用户程序会发起系统调用,内核会将其转换为相应驱动程序的程序调用,然后设备驱动程序启动 I/O 并循环检查该设备,看该设备是否完成了工作(一般会有一些二进制位用来指示设备仍在忙碌中)。当 I/O 调用完成后,设备驱动程序把数据送到指定的地方并返回。然后操作系统会将控制权交给调用者。这种方式称为 忙等待(busy waiting),这种方式的缺点是要一直占据 CPU,CPU 会一直轮询 I/O 设备直到 I/O 操作完成。
  • 第二种方式是设备驱动程序启动设备并且让该设备在操作完成时发生中断。设备驱动程序在这个时刻返回。操作系统接着在需要时阻塞调用者并安排其他工作进行。当设备驱动程序检测到该设备操作完成时,它发出一个 中断 通知操作完成。

在操作系统中,中断是非常重要的,所以这需要更加细致的讨论一下。

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如上图所示,这是一个三步的 I/O 过程,第一步,设备驱动程序会通过写入设备寄存器告诉控制器应该做什么。然后,控制器启动设备。当控制器完成读取或写入被告知需要传输的字节后,它会在步骤 2 中使用某些总线向中断控制器发送信号。如果中断控制器准备好了接收中断信号(如果正忙于一个优先级较高的中断,则可能不会接收),那么它就会在 CPU 的一个引脚上面声明。这就是步骤3


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在第四步中,中断控制器把该设备的编号放在总线上,这样 CPU 可以读取总线,并且知道哪个设备完成了操作(可能同时有多个设备同时运行)。

一旦 CPU 决定去实施中断后,程序计数器和 PSW 就会被压入到当前堆栈中并且 CPU 会切换到内核态。设备编号可以作为内存的一个引用,用来寻找该设备中断处理程序的地址。这部分内存称作中断向量(interrupt vector)。一旦中断处理程序(中断设备的设备驱动程序的一部分)开始后,它会移除栈中的程序计数器和 PSW 寄存器,并把它们进行保存,然后查询设备的状态。在中断处理程序全部完成后,它会返回到先前用户程序尚未执行的第一条指令,这个过程如下


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  • 实现 I/O 的第三种方式是使用特殊的硬件:直接存储器访问(Direct Memory Access, DMA) 芯片。它可以控制内存和某些控制器之间的位流,而无需 CPU 的干预。CPU 会对 DMA 芯片进行设置,说明需要传送的字节数,有关的设备和内存地址以及操作方向。当 DMA 芯片完成后,会造成中断,中断过程就像上面描述的那样。我们会在后面具体讨论中断过程

当另一个中断处理程序正在运行时,中断可能(并且经常)发生在不合宜的时间。因此,CPU 可以禁用中断,并且可以在之后重启中断。在 CPU 关闭中断后,任何已经发出中断的设备,可以继续保持其中断信号处理,但是 CPU 不会中断,直至中断再次启用为止。如果在关闭中断时,已经有多个设备发出了中断信号,中断控制器将决定优先处理哪个中断,通常这取决于事先赋予每个设备的优先级,最高优先级的设备优先赢得中断权,其他设备则必须等待。


总线


上面的结构(简单个人计算机的组件图)在小型计算机已经使用了多年,并用在早期的 IBM PC 中。然而,随着处理器核内存变得越来越快,单个总线处理所有请求的能力也达到了上线,其中也包括 IBM PC 总线。必须放弃使用这种模式。其结果导致了其他总线的出现,它们处理 I/O 设备以及 CPU 到存储器的速度都更快。这种演变的结果导致了下面这种结构的出现。


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上图中的 x86 系统包含很多总线,高速缓存、内存、PCIe、PCI、USB、SATA 和 DMI,每条总线都有不同的传输速率和功能。操作系统必须了解所有的总线配置和管理。其中最主要的总线是 PCIe(Peripheral Component Interconnect Express) 总线。

Intel 发明的 PCIe 总线也是作为之前古老的 PCI 总线的继承者,而古老的 PCI 总线也是为了取代古董级别的 ISA(Industry Standard Architecture) 总线而设立的。数十 Gb/s 的传输能力使得 PCIe 比它的前身快很多,而且它们本质上也十分不同。直到发明 PCIe 的 2004 年,大多数总线都是并行且共享的。共享总线架构(shared bus architeture) 表示多个设备使用一些相同的电线传输数据。因此,当多个设备同时发送数据时,此时你需要一个决策者来决定谁能够使用总线。而 PCIe 则不一样,它使用专门的端到端链路。传统 PCI 中使用的并行总线架构(parallel bus architecture) 表示通过多条电线发送相同的数据字。例如,在传统的 PCI 总线上,一个 32 位数据通过 32 条并行的电线发送。而 PCIe 则不同,它选用了串行总线架构(serial bus architecture) ,并通过单个连接(称为通道)发送消息中的所有比特数据,就像网络数据包一样。这样做会简化很多,因为不再确保所有 32 位数据在同一时刻准确到达相同的目的地。通过将多个数据通路并行起来,并行性仍可以有效利用。例如,可以使用 32 条数据通道并行传输 32 条消息。

在上图结构中,CPU 通过 DDR3 总线与内存对话,通过 PCIe 总线与外围图形设备 (GPU)对话,通过 DMI(Direct Media Interface)总线经集成中心与所有其他设备对话。而集成控制中心通过串行总线与 USB 设备对话,通过 SATA 总线与硬盘和 DVD 驱动器对话,通过 PCIe 传输以太网络帧。

不仅如此,每一个核

USB(Univversal Serial Bus) 是用来将所有慢速 I/O 设备(比如键盘和鼠标)与计算机相连的设备。USB 1.0 可以处理总计 12 Mb/s 的负载,而 USB 2.0 将总线速度提高到 480Mb/s ,而 USB 3.0 能达到不小于 5Gb/s 的速率。所有的 USB 设备都可以直接连接到计算机并能够立刻开始工作,而不像之前那样要求重启计算机。

SCSI(Small Computer System Interface) 总线是一种高速总线,用在高速硬盘,扫描仪和其他需要较大带宽的设备上。现在,它们主要用在服务器和工作站中,速度可以达到 640MB/s 。


计算机启动过程


那么有了上面一些硬件再加上操作系统的支持,我们的计算机就可以开始工作了,那么计算机的启动过程是怎样的呢?下面只是一个简要版的启动过程

在每台计算机上有一块双亲板,也就是母板,母板也就是主板,它是计算机最基本也就是最重要的部件之一。主板一般为矩形电路板,上面安装了组成计算机的主要电路系统,一般有 BIOS 芯片、I/O 控制芯片、键盘和面板控制开关接口、指示灯插接件、扩充插槽、主板及插卡的直流电源供电接插件等元件。

在母板上有一个称为 基本输入输出系统(Basic Input Output System, BIOS)的程序。在 BIOS 内有底层 I/O 软件,包括读键盘、写屏幕、磁盘I/O 以及其他过程。如今,它被保存在闪存中,它是非易失性的,但是当BIOS 中发现错误时,可以由操作系统进行更新。

在计算机启动(booted)时,BIOS 开启,它会首先检查所安装的 RAM 的数量,键盘和其他基础设备是否已安装并且正常响应。接着,它开始扫描 PCIe 和 PCI 总线并找出连在上面的所有设备。即插即用的设备也会被记录下来。如果现有的设备和系统上一次启动时的设备不同,则新的设备将被重新配置。

蓝后,BIOS 通过尝试存储在 CMOS 存储器中的设备清单尝试启动设备

CMOS是 Complementary Metal Oxide Semiconductor(互补金属氧化物半导体)的缩写。它是指制造大规模集成电路芯片用的一种技术或用这种技术制造出来的芯片,是电脑主板上的一块可读写的 RAM 芯片。因为可读写的特性,所以在电脑主板上用来保存 BIOS 设置完电脑硬件参数后的数据,这个芯片仅仅是用来存放数据的。

而对 BIOS 中各项参数的设定要通过专门的程序。BIOS 设置程序一般都被厂商整合在芯片中,在开机时通过特定的按键就可进入 BIOS 设置程序,方便地对系统进行设置。因此 BIOS 设置有时也被叫做 CMOS 设置。

用户可以在系统启动后进入一个 BIOS 配置程序,对设备清单进行修改。然后,判断是否能够从外部 CD-ROM 和 USB 驱动程序启动,如果启动失败的话(也就是没有),系统将从硬盘启动,boots 设备中的第一个扇区被读入内存并执行。该扇区包含一个程序,该程序通常在引导扇区末尾检查分区表以确定哪个分区处于活动状态。然后从该分区读入第二个启动加载程序,该加载器从活动分区中读取操作系统并启动它。

然后操作系统会询问 BIOS 获取配置信息。对于每个设备来说,会检查是否有设备驱动程序。如果没有,则会向用户询问是否需要插入 CD-ROM 驱动(由设备制造商提供)或者从 Internet 上下载。一旦有了设备驱动程序,操作系统会把它们加载到内核中,然后初始化表,创建所需的后台进程,并启动登录程序或GUI。

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