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接上）

十三、操作系統(tǒng)

1.由來

2.操作系統(tǒng)OS

3.批處理

4.設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序

5.多任務(wù)處理

6.動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配

7.分時(shí)操作系統(tǒng)

8.Unix系統(tǒng)

9.MS-DOS系統(tǒng)

10.windows系統(tǒng)

十四、內(nèi)存&存儲(chǔ)介質(zhì)

1.內(nèi)存與存儲(chǔ)器

2.打孔紙卡&紙帶

3.延遲線存儲(chǔ)器

4.磁芯存儲(chǔ)器

5.磁帶

6.磁鼓存儲(chǔ)器

7.硬盤

8.內(nèi)存分級(jí)

9.軟盤

10.光盤

總結(jié)

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接上一篇 學(xué)習(xí)筆記（八）

十三、操作系統(tǒng) 1.由來

最初的計(jì)算機(jī)需要人工將寫有程序的紙卡放入計(jì)算機(jī)，每次放入一個(gè)程序的紙卡，運(yùn)行完后再換另一個(gè)程序的紙卡。但隨著計(jì)算機(jī)的速度逐漸提高，換紙卡的時(shí)間比程序運(yùn)行的時(shí)間還長，這時(shí)人們希望計(jì)算機(jī)能夠自動(dòng)讀取多個(gè)程序，于是操作系統(tǒng)（這種軟件）應(yīng)運(yùn)而生。

2.操作系統(tǒng)OS

操作系統(tǒng)，簡稱OS，也是一種軟件，但是有操作硬件的權(quán)限，可以運(yùn)行和管理其它程序。它一般是開機(jī)后第一個(gè)啟動(dòng)的程序，之后操作系統(tǒng)來啟動(dòng)其它應(yīng)用程序。操作系統(tǒng)開始于1950年代。

3.批處理

以前的計(jì)算機(jī)一次只能運(yùn)行一個(gè)程序，而有了操作系統(tǒng)之后，就可以管理需要運(yùn)行的程序，讓計(jì)算機(jī)運(yùn)行完一個(gè)程序后自動(dòng)讀取下一個(gè)，這就是批處理。

4.設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序

隨著計(jì)算機(jī)的普及，程序員不僅要關(guān)心如何寫程序，還要關(guān)心如何使程序與各種不同型號(hào)的CPU以及各種外設(shè)（打印機(jī)、顯示器等）做適配。與早期的外部設(shè)備的交互是非常底層的，程序員需要了解硬件底層細(xì)節(jié)，但在寫程序時(shí)很少能拿到所有型號(hào)來測試。為了解決這一問題，操作系統(tǒng)就充當(dāng)了軟件與硬件之間的媒介。操作系統(tǒng)隱藏了硬件底層細(xì)節(jié)的復(fù)雜性，向外提供API來抽象硬件，這叫“設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序”，而程序員只需要用標(biāo)準(zhǔn)輸入與輸出機(jī)制與外部設(shè)備交互即可。

5.多任務(wù)處理

隨著處理器速度越來越快，處理器經(jīng)常處于等待外設(shè)的狀態(tài)（阻塞狀態(tài)）。英國曼徹斯特大學(xué)研發(fā)了世界上第一臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)Atlas，為了盡可能發(fā)揮計(jì)算機(jī)的作用，開發(fā)人員寫了一個(gè)操作系統(tǒng)程序Atlas Supervisor。這個(gè)操作系統(tǒng)不僅像早期的批處理系統(tǒng)那樣能自動(dòng)加載程序，還能在單個(gè)CPU上同時(shí)運(yùn)行幾個(gè)程序。這就是多任務(wù)處理。它通過調(diào)度來實(shí)現(xiàn)這一功能。

假設(shè)程序A需要與外設(shè)交互時(shí)，CPU就將程序A休眠，等待程序A與外設(shè)交互任務(wù)的完成。在程序A休眠期間，CPU會(huì)將運(yùn)行權(quán)分配給其它程序。等到外設(shè)交互任務(wù)完成，程序A會(huì)向CPU報(bào)告，CPU會(huì)將程序A重新設(shè)置為可執(zhí)行狀態(tài)，然后在之后某一個(gè)時(shí)間繼續(xù)運(yùn)行程序A。

6.動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配

同時(shí)運(yùn)行多個(gè)程序會(huì)出現(xiàn)一個(gè)問題，就是內(nèi)存的分配問題。解決方法是為每個(gè)程序塊分配專屬的內(nèi)存空間。而一個(gè)程序在運(yùn)行期間有可能臨時(shí)申請(qǐng)新的內(nèi)存空間，操作系統(tǒng)可以決定是否允許這種申請(qǐng)。這樣做能夠靈活使用內(nèi)存空間，但會(huì)導(dǎo)致一個(gè)程序可能會(huì)分配到非連續(xù)的內(nèi)存塊。于是，為了方便程序員編程，操作系統(tǒng)向外提供一個(gè)虛擬地址，即程序員會(huì)看到每個(gè)程序都有一個(gè)從0開始的連續(xù)內(nèi)存空間（這就是虛擬內(nèi)存），操作系統(tǒng)內(nèi)部隱藏了虛擬地址與物理地址的映射關(guān)系。

這種機(jī)制使得程序的內(nèi)存大小可以靈活地增減，這叫“動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配”。同時(shí)，這種機(jī)制給每個(gè)程序分配單獨(dú)的內(nèi)存空間，這樣即便一個(gè)程序出錯(cuò)，也不會(huì)影響其它程序的運(yùn)行。這就是“內(nèi)存保護(hù)”。這種機(jī)制對(duì)于防惡意軟件也很有用。

Atlas既有“虛擬內(nèi)存”也有“內(nèi)存保護(hù)”，是世界上第一臺(tái)支持這些功能的計(jì)算機(jī)和操作系統(tǒng)。

7.分時(shí)操作系統(tǒng)

隨著電腦的普及，高校開始買計(jì)算機(jī)供學(xué)生使用。這時(shí)的計(jì)算機(jī)不僅能同時(shí)運(yùn)行多個(gè)程序，還能讓多用戶同時(shí)訪問。每個(gè)學(xué)生通過一個(gè)終端（屏幕和鍵盤）來訪問主機(jī)。為了避免一個(gè)用戶占滿計(jì)算機(jī)資源，“分時(shí)操作系統(tǒng)”應(yīng)運(yùn)而生。每個(gè)用戶只能用一小部分處理器、內(nèi)存等資源。

早期分時(shí)操作系統(tǒng)中，最有影響力的是1969年發(fā)布的Multics。這是第一個(gè)從設(shè)計(jì)時(shí)就考慮到多用戶訪問安全的操作系統(tǒng)。這導(dǎo)致Multics的復(fù)雜度超過當(dāng)時(shí)的平均水平，操作系統(tǒng)（占1MB）占了內(nèi)存的一半，因而沒有獲得大的商業(yè)成功。

8.Unix系統(tǒng)

Multics的兩位開發(fā)人員在1971年聯(lián)手打造了新的操作系統(tǒng)，Unix。他們把Unix分為兩部分，一部分是核心功能，即內(nèi)核，包含了如內(nèi)存管理、多任務(wù)、輸入/輸出處理等；另一部分是一堆有用的工具，比如程序和運(yùn)行庫。

Unix內(nèi)核如果崩潰，沒法恢復(fù)，就調(diào)用一個(gè)“panic”函數(shù)，開始無限循環(huán)地打印“panic”。這就是內(nèi)核恐慌。這種設(shè)計(jì)使得開發(fā)人員不用寫大量的錯(cuò)誤恢復(fù)代碼，也使得Unix可以在更多更便宜的硬件上運(yùn)行，因而大受歡迎。不久就有人寫了不同編程語言的編譯器，甚至文字處理器。

9.MS-DOS系統(tǒng)

1980年代早期，計(jì)算機(jī)開始在普通家庭普及，操作系統(tǒng)也很簡單，比如微軟的MS-DOS系統(tǒng)。發(fā)布于1981年，成為早期家用電腦最受歡迎的操作系統(tǒng)。MS-DOS沒有“多任務(wù)”和“內(nèi)存保護(hù)”這樣的功能，這意味著一次只能運(yùn)行一個(gè)程序，并且程序經(jīng)常會(huì)使系統(tǒng)崩潰，但用戶可以重啟，因而還可以接受。

10.windows系統(tǒng)

微軟在1985年發(fā)布的早期windows系統(tǒng)，在90年代很流行，也同樣缺乏“內(nèi)存保護(hù)”。如果程序崩潰導(dǎo)致系統(tǒng)也跟著崩潰了，系統(tǒng)就會(huì)藍(lán)屏。如今windows系統(tǒng)有更好的保護(hù)機(jī)制，不會(huì)那么容易藍(lán)屏。

雖然如今的智能設(shè)備一般都只有一個(gè)用戶，但是操作系統(tǒng)依然有多任務(wù)處理、虛擬內(nèi)存、內(nèi)存保護(hù)等功能。

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十四、內(nèi)存&存儲(chǔ)介質(zhì) 1.內(nèi)存與存儲(chǔ)器

內(nèi)存是易失性存儲(chǔ)，即斷電會(huì)丟失數(shù)據(jù)，但是訪存速度快。另一種是存儲(chǔ)器，非易失性存儲(chǔ)，但速度慢。不過近年來隨著技術(shù)發(fā)展，兩者速度差異變小。

2.打孔紙卡&紙帶

最早期的存儲(chǔ)介質(zhì)就是打孔紙卡和打孔紙帶。到1940年，紙卡標(biāo)準(zhǔn)是80列*12行，一張卡能存960bit數(shù)據(jù)。已知的大紙卡程序，美國軍方SAGE（半自動(dòng)地面防空系統(tǒng)，于1958年投入使用）主程序存儲(chǔ)在62500張紙卡上，大小相當(dāng)于5MB。紙卡不用電，便宜耐用，一直用了十幾年。缺點(diǎn)就是讀取慢，且只能寫入一次，打的孔無法輕易補(bǔ)上。這使得紙卡/紙帶不適用于存儲(chǔ)臨時(shí)數(shù)據(jù)。

3.延遲線存儲(chǔ)器

Eckert在1944奶奶建造ENIAC時(shí)發(fā)明了延遲線存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)方法，原理是 ① 用一根管子裝滿液體（如水銀），② 管子的一端放揚(yáng)聲器，另一端放麥克風(fēng)，③ 揚(yáng)聲器發(fā)出脈沖時(shí)，會(huì)產(chǎn)生壓力波，壓力波經(jīng)過一定時(shí)間傳播到管子另一端，被麥克風(fēng)捕獲并轉(zhuǎn)換回電信號(hào)。正因?yàn)閴毫Σㄓ袀鞑パ舆t，因此這個(gè)裝置可以被用來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。有壓力波代表1，沒有壓力波則代表0。揚(yáng)聲器將0和1的電信號(hào)轉(zhuǎn)化為壓力波的有無，通過管子進(jìn)行傳播，當(dāng)一串壓力波信號(hào)傳播到麥克風(fēng)端時(shí)，麥克風(fēng)可以根據(jù)壓力波的有無來將信號(hào)轉(zhuǎn)換回1和0 。

如果在麥克風(fēng)端加一個(gè)信號(hào)放大器來彌補(bǔ)信號(hào)衰弱，并且將麥克風(fēng)端與揚(yáng)聲器端用導(dǎo)線連接起來（電信號(hào)沿導(dǎo)線傳播幾乎是瞬時(shí)的），那么這個(gè)裝置就可以存儲(chǔ)一段數(shù)據(jù)，這段數(shù)據(jù)在管子中不斷循環(huán)，任意時(shí)間點(diǎn)只顯示1bit的數(shù)據(jù)。因此，管子中可以存儲(chǔ)多個(gè)bit的數(shù)據(jù)，但讀取時(shí)需要等到正確的時(shí)機(jī)才能讀取到想要的數(shù)據(jù)。

之后在EDVAC計(jì)算機(jī)中，開發(fā)人員也使用了延遲線存儲(chǔ)器。這使得EDVAC成為最早的“存儲(chǔ)程序計(jì)算機(jī)”之一。

不過延遲線存儲(chǔ)器也有缺點(diǎn)，每一個(gè)時(shí)刻只能讀取1bit的數(shù)據(jù)，因此也叫“順序存儲(chǔ)器”或“循環(huán)存儲(chǔ)器”。開發(fā)人員希望能有“隨機(jī)存取存儲(chǔ)器”，可以隨時(shí)訪問任何位置。同時(shí)，增加內(nèi)存密度，意味著壓力波變得更加緊密，這會(huì)導(dǎo)致信號(hào)更容易混在一起。因此出現(xiàn)了其它類型的延遲線存儲(chǔ)器，比如“磁致伸縮延遲存儲(chǔ)器”。這種存儲(chǔ)器利用金屬線的振動(dòng)來表示數(shù)據(jù)，通過將導(dǎo)線卷成線圈來增加存儲(chǔ)密度。

總的來說，延遲線存儲(chǔ)器在1950年代中期就基本過時(shí)了，因?yàn)槌霈F(xiàn)了更好用的“磁芯存儲(chǔ)器”。

4.磁芯存儲(chǔ)器

每一個(gè)存儲(chǔ)單元是一個(gè)小的圓環(huán)形磁圈（像一個(gè)甜甜圈），能存儲(chǔ)1bit。如果給磁芯繞上導(dǎo)線并施加電流，就可以將磁芯磁化，電流方向決定了磁化方向，兩種不同的磁化方向用于表示1和0 。如果關(guān)閉電流，磁芯仍會(huì)保持磁化狀態(tài)，這就存儲(chǔ)了數(shù)據(jù)。為了存儲(chǔ)更多bit的數(shù)據(jù)，通常磁芯會(huì)被排列成網(wǎng)絡(luò)，然后利用行列選擇電線來選擇某個(gè)特定的磁芯，進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫。

磁芯存儲(chǔ)的第一次大規(guī)模運(yùn)用是1953年麻省理工學(xué)院的Whirlwind 1 計(jì)算機(jī)。磁芯存儲(chǔ)器能隨時(shí)訪問任何一個(gè)bit的數(shù)據(jù)，流行了二十多年，而且一般還是手工編制的。

5.磁帶

1951年，UNIVAC計(jì)算機(jī)（最早進(jìn)行商業(yè)銷售的電腦之一）推出了一種新的存儲(chǔ)介質(zhì)：磁帶。磁帶是卷在軸上的一長條纖薄柔軟的磁性帶子，它可以在磁帶驅(qū)動(dòng)器內(nèi)前后移動(dòng)。一個(gè)“寫頭”上繞有電線，并通過電流產(chǎn)生磁場，這個(gè)寫頭可以導(dǎo)致磁帶的一小部分被磁化，寫頭上通入的電流方向決定了磁化方向，用以表示1 和 0 。另外還有一個(gè)“讀頭”，可以非破壞性地檢測磁帶某一部分的磁性，從而轉(zhuǎn)化為信號(hào)1 或0 。

雖然磁帶驅(qū)動(dòng)器很貴，但磁帶又小又便宜。因此至今磁帶仍用于存檔。磁帶存儲(chǔ)穩(wěn)定可靠，主要缺點(diǎn)是訪問速度。因?yàn)榇艓沁B續(xù)的，因此比如倒帶或快進(jìn)到特定位置才能訪問特定數(shù)據(jù)。

6.磁鼓存儲(chǔ)器

磁鼓與磁帶類似。磁鼓存儲(chǔ)器有金屬圓筒，表面蓋滿了磁性材料以記錄數(shù)據(jù)。滾筒會(huì)持續(xù)旋轉(zhuǎn)，周圍有數(shù)十個(gè)讀寫頭，等滾筒轉(zhuǎn)到正確位置，讀寫頭會(huì)讀寫1bit數(shù)據(jù)。為了盡可能減小延遲，鼓輪每分鐘上千轉(zhuǎn)。1950年代磁鼓存儲(chǔ)器發(fā)展旺盛，但到了1970年代磁鼓存儲(chǔ)器不再生產(chǎn)。

7.硬盤

磁鼓導(dǎo)致了硬盤的發(fā)展。硬盤與磁鼓很像，原理是一樣的，只不過硬盤用的是盤，而磁鼓用的是圓柱體。硬盤表面有磁性，讀寫頭可以處理1和0信號(hào)。硬盤的優(yōu)點(diǎn)是薄，因而可以疊在一起。IBM就是將磁盤疊在一起來制造第一臺(tái)磁盤計(jì)算機(jī)IBM RAMAC 305 的。要讀寫數(shù)據(jù)時(shí)，一個(gè)讀寫頭會(huì)上下移動(dòng)來找到正確的磁盤，磁盤像磁鼓一樣，也要高速旋轉(zhuǎn)，等到磁盤轉(zhuǎn)到正確位置，讀寫磁頭會(huì)滑進(jìn)磁盤之間，然后讀寫數(shù)據(jù)。RAMAC訪問任意數(shù)據(jù)只需要六分之一秒的時(shí)間，這叫尋道時(shí)間。

8.內(nèi)存分級(jí)

RAMAC計(jì)算機(jī)在使用先進(jìn)的（當(dāng)時(shí)是如此）磁盤存儲(chǔ)器外，同時(shí)還有磁鼓存儲(chǔ)器和磁芯存儲(chǔ)器，因?yàn)榇疟P的速度還不夠快。計(jì)算機(jī)中的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)是分級(jí)的，在成本和時(shí)間中取得平衡。速度越快的存儲(chǔ)器價(jià)格也越高。現(xiàn)代磁盤的速度已經(jīng)提高許多，平均尋道時(shí)間低于百分之一秒。如今存儲(chǔ)技術(shù)朝著固態(tài)前進(jìn)，存儲(chǔ)器內(nèi)部沒有機(jī)械活動(dòng)部件，現(xiàn)在的U盤、硬盤內(nèi)部都是集成電路。固態(tài)硬盤SSD（逐漸取代機(jī)械硬盤）內(nèi)部沒有機(jī)械部件，磁頭不用等磁盤轉(zhuǎn)，因而訪問時(shí)間低于千分之一秒。但這仍然比內(nèi)存慢很多。因此存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)仍然是分級(jí)的。

與集成電路發(fā)展的摩爾定律類似，存儲(chǔ)器也在飛速發(fā)展，價(jià)格逐漸降低。

9.軟盤

軟盤（Floppy Disk）是軟的磁盤，其它基本與硬盤相同。軟盤很便攜，在1970-1990年代十分流行，但現(xiàn)在已經(jīng)過時(shí)了，可以用來當(dāng)杯墊，哈哈^_^ 。另外還有密度更高的軟盤，如Zip Disks，在90年代中期流行起來，但十年內(nèi)就消失了。

10.光盤

光學(xué)存儲(chǔ)器于1972年出現(xiàn)，當(dāng)時(shí)是激光盤。后來有了光盤CD，以及DVD。光盤的功能與硬盤、軟盤一樣，都是存數(shù)據(jù)。光盤表面有很多小坑，會(huì)造成光的不同反射，這種差異會(huì)被光學(xué)傳感器捕獲并解碼為1和0 。

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總結(jié)

本篇內(nèi)容：

1.操作系統(tǒng)

2.內(nèi)存&存儲(chǔ)介質(zhì)

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