作業系統基本知識（一）

計算機系統體系結構：

1. 單處理器的計算機系統，它隻有一個general purpose 的處理器，它有一個CPU來執行通用的指令集，    另外，裡面也包括一些專用的控制器（處理器），比如控制硬碟、網卡、鍵盤的等，這些控制器通常由作業系統管理； 

2. 多處理器的計算機系統，可以分為非對稱型（asymmetric multiprocessing )與對稱型(symmetric multiprocessing, SMP);  在非對稱型的多處理器系統中，由其中一個處理器控制與監督其它的處理器工作; 在對稱型的多處理器系統中，所有的處理器都是平等的。 對于多處理器計算機系統，通常每一個處理器都有自己的寄存器與緩存，是以的處理器都共享實體記憶體的； 

   另外，現代的CPU設計，通常在一個chip上設計多個計算單元，常稱為多核處理器， 從2006年以後， 現在Intel 與AMD的CPU都本都是多核處理器了。

3. 叢集計算機系統

作業系統的相關操作：

1. 通過雙模或多模（dual-mode or multimode) 操作 來确定 可以區分系統（核心或特權）指令還是使用者指令， 實作的方法是通過硬體增加一個mode 位來識别； 把一些危險的或特征重要的指令設為特權指令，這樣使用者就無法執行，确定作業系統的性；
2. 使用一個timer 進行周期性的中斷，來確定了作業系統可以一直掌控着CPU的控制權.  比如，萬一個使用者進入無限循環時，  通過這麼一個中斷可以把CPU的控制權交給作業系統；

作業系統結構：

1. 什麼是系統調用（system calls)？

   因為在使用者狀态是沒有辦法執行核心指令，怎麼辦？？那就通過系統調用來完成吧。它是由作業系統核心提供的一些服務，包括：程序管理、檔案操作、記憶體管理、通信等；

2. 什麼是API(application programming interface)？

   它是應用程式接口， 對于應用程式程式設計人員是可見的。  它其實是對 系統調用的封裝，一個API可以對應一個系統調用，也可以包括多個system calls.  當程式設計人員使用需要使用核心功能時， 不需要直接調用系統調用，而是通過API來完成，API再去調用相應的systm calls。  為什麼這麼做？？1. 為了程式的可移植性，API常常可以做到統一，而system call 的實作可以不不一樣；2. 使用API比直接使用 system call 要簡單的多。

   常用的三種API： windows系統的windows API; POSIX based 的系統（unix, linux, MAc OSX)的 POSIX API； JAVA虛拟機的 Java API;

3. 什麼是 system call interface?

   它就是系統調用接口， 它可以截獲API中使用的系統函數調用， 然後system call interface 再調用實際的 核心函數完成任務；  system call interface 起到 在API與實際的核函數之間的link 作用；

4. 作業系統的結構組成？

   1）簡單的 monolithic 作業系統；整個核心裡包括很多東西；性能高，但是維護、調試難。

   2） 分層的結構，實作簡單；

   3）microkernel結構，把一些必要的功能加入核心，其它的都放入到使用者态裡去；

   4）子產品化的結構： 一些必要的功能在核心，加入一些可以加載的其它子產品（在核心态）；

   5） hybrid system :雜交以上的；

作業系統的啟動：  (講啟動過程 ，重點說了一下在加載硬碟上的 bootloader程式之前，電腦都幹了哪些事， 具體到 bootloader程式， 不同的作業系統不一樣吧）

了解一些背景知識：

1. CS:IP 兩個寄存器訓示了 CPU 目前将要讀取的指令的位址，其中  CS  為代碼段寄存器，而   IP  為指令指針寄存器 。

2. 1979年，Intel 推出了8088 CPU, 8088内部資料總線都是16位，外部資料總線是8位，可以尋址 1024 KB 的記憶體； 1981年8088晶片首次用于IBM PC機中，開創了全新的微機時代， 它運作的作業系統也是第一代的DOS系統。也正是從8088開始，PC機（個人電腦）的概念開始在全世界範圍内發展起來。

3. PC機的設計師将8088CPU 可以尋址的 1M 中的低端640KB用作RAM，供DOS及應用程式使用， 這就是640K的基本記憶體； 高端的384KB常稱作上位記憶體， 則保留給ROM、視訊适配卡等系統使用。從此，這個界限便被确定了下來并且沿用至今。這384K中的的低128KB是顯示緩沖區，高64KB是系統BIOS（基本輸入/輸出系統）空間，中間192KB空間用于其它留用，如下圖所示。在微軟的作業系統沒有徹底脫離DOS的時候，即使你的電腦裝有幾兆或幾十兆記憶體，但如果你使用以DOS為核心的作業系統，那麼你也隻有640K的記憶體可以直接使用，1M以上的記憶體要通過一些記憶體管理工具才能使用。從Windows 95開始，才不存在正常記憶體的限制了，所有的記憶體，不管是8M還是128M，都可以被直接使用。

作業系統的啟動過程： 

1. 當在我們剛剛接通電源的時候，整個系統由BIOS控制，電壓還不太穩定，主機闆晶片組會向CPU發出reset的指令讓CPU開始初始化，同時主機闆晶片組等待電源發出POWE GOOD指令，一旦電源發出POWER GOOD指令，主機闆晶片組就會撤出 reset 的指令， 此時，這時候，CS:IP 兩個寄存器指向FFFF0H位址， CPU從 FFFF0H 位址開始執行尋址指令（這個位址是在BIOS内而不再記憶體裡面），在這個位址中無論是AMI BIOS還是Award BIOS，在這個位址中都會存儲一條跳轉指令，直接跳轉到系統BIOS中真正的啟動代碼處（這個代碼一定在 F0000H至 FFFFFH之間的某個地方），BIOS的代碼都是在BIOS晶片ROM中的，那個跳轉指令也是在ROM中的。 

補充：為什麼是 FFFF0H的位置加入跳轉指令呢？

BIOS ROM晶片裡面的程式是在計算機出廠的時候直接燒錄在裡面的，完成一些主機自檢等操作，并提 供一些通路磁盤等基本輸入輸出服務，由于不同的計算機廠商生産的計算機所帶的外設不一樣，是以，這段程式大小也限機型的不同而不一樣， 是以，不能把這個段代碼的位址設定為從 00000H開始， 為了解決這個問題，8086規 定，CPU均從0xFFFF0處開始執行，而在0xFFFF0處，放一條無條件轉移指令JMP，跳轉到BIOS的代碼處（這個都是廠商自己規定）；

2. 運作BISO的代碼，幹什麼事呢？POST自檢！

主要的工作就是執行主機自檢（POST），當BIOS檢查到硬體正常後，按照 CMOS 中對啟動裝置的設定順序檢測可用的啟動裝置。BIOS将相應啟動裝置的第一個扇區(也就是MBR扇區)讀入記憶體位址為0000:7C00H 處，并檢查MBR的結束标志位是否等于55AAH（活動盤的标志），若不等于則轉去嘗試其他啟動裝置，如果沒有啟動裝置滿足要求則顯示"NO ROM BASIC"然後當機。

補充：為什麼是07C00H處呢？（http://blog.csdn.net/bkxiaoc/article/details/50380835）

“0x7C00” 第一次出現是在 “IBM PC 5150” 的 BIOS 的 19号中斷例程中。

IBM PC 5150

是現代 x86 PC 的鼻祖，為了保證向下相容的原則，”0x7C00”得以保留。 19号中斷例程 就是 “POST”(Power On Self Test) ，上電自檢(包括檢查是否存在驅動器)，之後将啟動盤的第一分區的第一扇區的 512b 資料拷貝到 0x7c00處。  0x7c00”是由 IBM PC 5150 BIOS開發團隊決定(David Bradley博士)。

“0x7C00 = 32KiB - 1024B” 有什麼特殊含義? 是為了解決系統和 CPU 記憶體分布的需求！！

BIOS 決定這個位址的理由如下:

1. 32kb是符合(DOS)系統加載的最小空間
2. 8086/8088 0x0 - 0x3ff用于BIOS的中斷向量和BIOS資料區域。
3. 引導扇區是512位元組，boot 程式需要的資料/堆棧 大于 512 位元組。
4. 是以,0x7c00, 32KB 的最後 1024B 被選中了。

系統加電啟動後，可以自由使用 0x7c00起始的, 32KB 的最後 1024B空間。

3. 這時候就需要磁盤第一扇區上的MBR代碼了，linux與windows的代碼不一定一樣， 以linux 為例，說明：

具體參考：https://www.cnblogs.com/ronny/p/7787259.html， 寫的很明白；

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