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  • 操作系统简介

    千次阅读 2018-12-27 21:16:04
    现如今我们的电脑都是自带操作系统的, 那么早期的电脑是什么样的呢?

    在计算机刚诞生的时候,是没有操作系统这一概念的,我们程序员想要编写程序,首先要编写操作操作计算机硬件的程序,再在这个基础上去写我们的程序,这是一个很繁琐的活儿。

    现代的计算机系统主要是由一个或者多个处理器,主存,硬盘,键盘,鼠标,显示器,打印机,网络接口及其他输入输出设备组成。
    一般而言,现代计算机系统是一个复杂的系统。

    • 如果每位应用程序员都必须掌握该系统所有的细节,那就不可能再编写代码了(严重影响了程序员的开发效率:全部掌握这些细节可能需要一万年…)
    • 管理这些部件并加以优化使用,是一件极富挑战性的工作,于是,计算安装了一层软件(系统软件),称为操作系统。它的任务就是为用户程序提供一个更好、更简单、更清晰的计算机模型,并管理刚才提到的所有设备。

    操作系统:简单来说,操作系统就是一个协调、管理和控制计算机硬件资源和软件资源的控制程序。

    操作系统两大功能:

    • 隐藏了丑陋的硬件调用接口,为应用程序员提供调用硬件资源的更好,更简单,更清晰的模型(系统调用接口)。应用程序员有了这些接口后,就不用再考虑操作硬件的细节,专心开发自己的应用程序即可。
    • 将应用程序对硬件资源的竞态请求变得有序化

    操作新系统发展史

    操作系统主要分这么几个阶段:

    • 手工操作
      程序员将对应于程序和数据的已穿孔的纸带(或卡片)装入输入机,然后启动输入机把程序和数据输入计算机内存,接着通过控制台开关启动程序针对数据运行;计算完毕,打印机输出计算结果;用户取走结果并卸下纸带(或卡片)后,才让下一个用户上机。
    • 批处理系统
      批处理系统:加载在计算机上的一个系统软件,在它的控制下,计算机能够自动地、成批地处理一个或多个用户的作业(这作业包括程序、数据和命令)。
    • 多道程序系统
      所谓多道程序设计技术,就是指允许多个程序同时进入内存并运行。即同时把多个程序放入内存,并允许它们交替在CPU中运行,它们共享系统中的各种硬、软件资源。当一道程序因I/O请求而暂停运行时,CPU便立即转去运行另一道程序。
    • 分时系统
      分时技术:把处理机的运行时间分成很短的时间片,按时间片轮流把处理机分配给各联机作业使用。
    • 实时系统
      系统能够及时响应随机发生的外部事件,并在严格的时间范围内完成对该事件的处理。
    • 通用操作系统
      具有多种类型操作特征的操作系统。可以同时兼有多道批处理、分时、实时处理的功能,或其中两种以上的功能。

    详情点这里➡️操作系统简介

    操作系统内核

    内核(Kernel)
    内核就是由一条条指令组成的庞大的指令集,就相当于一段代码。
    如上所说,操作系统就是一个(一组)程序,这个程序的重点在于协调、管理和控制计算机硬件资源和软件资源。没有软件的计算机就相当于一堆废铁。操作系统的作用就是让CPU可以开始判断与计算,让内存可以读取数据,让硬盘可以被访问等。上面提到的这些都与操作系统的内核相关。一台计算机能做哪些事,不能做哪些事,全由内核进行控制。只有内核提供了相关功能,计算机才可以做相应的操作。举例来说:一台计算机的内核不支持TCP/IP协议,无论你买什么样的网卡,都无法进行上网操作。

    内核在开机后就一直常驻在内存中,存放内核的这块内存区域是受保护的,用户无法直接访问。

    内核具备的功能:

    操作系统内核负责整个计算机系统相关的资源分配与管理,具有很强大的功能。

    • 系统调用接口
      方便程序员更轻松容易的调用硬件,对硬件资源进一步利用。
    • 程序管理
      内核必须能够控制多个任务,让CPU的资源分配变得更合理。
    • 内存管理
      当内存不足时,内核可以提供内存交换功能
    • 文件系统管理
      内核可以识别文件系统,这样我们才可以对文件进行增删改查。例如:mac os系统不识别ntfs格式的硬盘,所以我们无法直接使用。

    内核是控制管理硬件的,那么内核一定要识别硬件才可以对其进行管理、控制。硬件的更新换代是特别迅速的,内核如何才能驱动一个新硬件呢
    内核具有这么几个特性:

    • 操作系统必须要能够驱动硬件,如此应用程序才能够使用该硬件功能。
    • 一般来说,操作系统会提供开发接口,让开发商制作他们的驱动程序。
    • 要使用新硬件功能,必须要安装厂商提供的驱动程序才行。
    • 驱动程序是由厂商提供的,与操作系统开发者无关。

    Linux发展史

    早期的计算机多用于军事、科学领域及学术研究等,当时的操作系统还处于多道批处理系统阶段,使用起来相当不便。在20世纪60年代初,麻省理工学院开发了分时操作系统。

    1965年前后,由贝尔实验室(bell)、麻省理工学院(MIT)、通用电气公司(GE)联合发起了Multics项目,该项目的目的是让大型主机可以同时提供300台以上的终端机连接使用。1969年左右,贝尔实验室退出该项目组。Ken Thompson,贝尔实验室中的一员,在项目组时收货颇多,回去以后,利用闲暇的一个月时间,使用汇编语言写了一组内核程序,以及一个小的文件系统。这就是UNIX的原型。

    该文件系统有两个重要概念

    • 所有的程序或系统装置都是文件(万物皆文件)
    • 不管构建编辑器还是附属文件,所写的程序只有一个目的,就是要有效地完成目标。

    1973年,Thompson与Ritchie合作将最初版本的文件系统改为使用更高级的语言编写,当时的高级程序语言有B语言,但是B语言所编译出来的内核性能不是很好,后来Dennis Ritchie将B语言重新改写为C语言,再以C语言重新改写编译内核,最后发行出UNIX的正式版本。

    汇编语言需要与硬件有有密切的配合,所以最初的文件系统是不具备移植性的或者说移植性很差,UNIX是以高级语言C语言编写的导致其移植性变得很强大。

    紧接着来到下一阶段,伯克利大学的Bill Joy创建了UNIX的一个重要分支——BSD,Bill Joy同时还是著名的Sun公司的创办者。Sun公司以BSD开发的内核进行自己的商业UNIX版本。

    再后来,大学教授谭宁邦为了教学自己手写了Minix内核程序,这是一个UNIX Like的内核程序,为了避免版权纠纷,谭宁邦完全不看UNIX内核源码。唯一的缺点就是谭宁邦教授认为,Minix是用于教育的,所以对Minix只是点到为止,没有再进一步上升。

    1991年,芬兰的赫尔辛基大学的Linus Torvalds在论坛上发布了一个小小小的内核程序,这个内核程序可以在Intel的386机器上面运行,让很多人对其产生兴趣,从此开始了Linux不平凡的旅程。

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  • 操作系统-操作系统简介

    千次阅读 多人点赞 2019-03-19 11:40:40
    操作系统简介: 1.1.0 什么是操作系统 操作系统的定义 Q1:操作系统是软件还是硬件? Q2:操作系统是必要软件还是不必要? 操作系统(Operating System, OS)是一种复杂的系统软件,是不同程序代码、数据结构、数据...

    一.操作系统简介:
    在这里插入图片描述
    1.1.0 什么是操作系统
    操作系统的定义
    Q1:操作系统是软件还是硬件?
    Q2:操作系统是必要软件还是不必要?
    操作系统(Operating System, OS)是一种复杂的系统软件,是不同程序代码、数据结构、数据初始化文件的集合,可执行。
    1.1.1 用户与硬件之间的接口
    操作系统与硬件部分相互作用,并且为运行在计算机上的应用程序提供执行环境。
    在这里插入图片描述
    1.1.2 资源的管理者
    资源的管理者
    处理机管理:决定把处理机先给哪个程序用,后给哪个程序用。
    内存管理:给程序分配内存空间。
    设备管理:完成怎么分配设备,分配哪台设备,怎么和设备连接等。
    文件管理:为每个文件分配空间、建立目录,对目录进行组织管理
    以及根据用户请求从外存读取数据或将数据写入外存。

    1.2.6.4 实时系统的特点
    操作系统的发展
    在这里插入图片描述
    实时操作系统
    实时系统必须及时响应外部事件的请求,在规定时间内完成对该事件的处理。主要用于实时控制和实时信息处理领域。
    特点:多路性、独立性、及时性、交互性、可靠性
    在这里插入图片描述
    1.2操作系统的发展
    操作系统产品现状
    在这里插入图片描述
    1.3 操作系统的特征
    操作系统的特征
    现代操作系统都支持多任务,具有并发、共享、虚拟和异步性特征。

    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述
    1.4 操作系统的功能
    操作系统的功能
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    1.1管理计算机资源:
    1.内存管理:
    含义:内存管理的主要任务是为多道程序的运行提供良好的环境,方便用户使用内存,提高内存的利用率,以及从逻辑上扩充内存以实现虚拟存储。
    内容:
    1)内存分配:
    主要任务是为每道程序分配内存空间,可采用两种分配方式,即静态分配方式和动态分配方式。
    在这里插入图片描述
    2)内存保护 :主要任务:一是使操作系统内核的空间不会被用户随意访问,以保证系统的安全和稳定;二是确保每道用户程序都在自己的内存空间中运行,互不干扰。
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    3)地址映射:CPU执行程序过程中访问内存时,需要把程序的逻辑地址转变为物理地址,这个转换过程称为地址映射。
    在这里插入图片描述
    4)内存扩充:借助于虚拟技术,从逻辑上扩充内存容量,使系统能够向用户提供比物理内存大的存储容量。
    请求调入:允许系统在装入一部分用户程序时就启动该程序运行,在程序运行过程中若发现要执行的指令或访问的数据尚未装入内存,通过请求调入将需要指令或数据装入内存。
    在这里插入图片描述
    置换功能:在请求调入时,若发现内存空间不足,需要先将内存中的一部分内容换到外存中,以便腾出内存空间装入当前需要的内容。
    在这里插入图片描述
    2.提供用户接口提

    		2.1命令接口:
    		目的:为了便于用户与计算机系统的交互
    		分类:联机用户接口和脱机用户接口
    		联机:常命令接口由一组键盘操作命令和命令解释程序组成
    		脱机:为批处理作业的用户提供,也称为批处理用户接口
    		2.2图形用户接口:
    		用户可以轻松地通过选择窗口、菜单、对话框、滚动条、图标等简单的操作来完成对作业和任务的提交与控制。
    		2.3程序接口:用户程序接口指的是应用程序和系统的核心程序的接口,就是系统调用。
    系统调用是一组预先定义好的模块,它们提供一条管道让应用程序或用户能由此得到核心程序的服务。
    
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  • QNX操作系统简介

    千次阅读 2019-05-06 16:04:12
    QNX是商业类Unix实时操作系统,主要针对嵌入式系统市场。该产品开发于20世纪80年代初,后来改名为QNX软件系统公司。QNX软件系统公司,黑莓公司旗下子公司,是全球领先的创新嵌入式技术供应商,包括中间件、开发工具...

    QNX是商业类Unix实时操作系统,主要针对嵌入式系统市场。该产品开发于20世纪80年代初,后来改名为QNX软件系统公司。QNX软件系统公司,黑莓公司旗下子公司,是全球领先的创新嵌入式技术供应商,包括中间件、开发工具和操作系统。QNX Neutrino实时操作系统,QNX Momentics工具套件和QNX Aviage中间件系列基于组件的架构共同构成业界可靠性和延展性最强的架构,帮助建立高性能的嵌入式系统。包括思科、戴姆勒、通用电气、洛克希德·马丁和西门子在内的众多全球知名技术领先企业,都将QNX技术应用在网络路由器、车载远程信息处理和信息娱乐系统、工业控制系统、医疗设备、安全防卫系统和其他任务关键性和生命关键型应用中。QNX软件系统公司成立于1980年,总部位于加拿大渥太华,其产品行销全球100多个国家或地区。

    QNX是一种商用的遵从POSIX(可移植操作系统接口, Portable Operating System Interface,缩写为POSIX, IEEE为要在各种UNIX操作系统上运行软件,而定义API的一系列互相关联的标准的总称)规范的类Unix实时操作系统,目标市场主要是面向嵌入式系统

    QNX采用微内核架构,操作系统中的多数功能是以许多小型的task来执行,它们被称为server。这样的架构使得用户和开发者可以关闭不需要的功能,而不需要改​​变操作系统本身。QNX是一个微内核实时操作系统,其核心仅提供4种服务:进程调度、进程间通信、底层网络通信和中断处理,其进程在独立的地址空间运行。所有其它OS服务,都实现为协作的用户进程,因此QNX核心非常小巧而且运行速度极快。QNX的微内核独立自处于一个被保护的地址空间,驱动程序、网络协议和应用程序处于程序空间中。

    微内核架构的优点:(1). 驱动程序、网络协议、文件系统等操作系统模块和内核相互独立,任何模块的故障都不会导致内核的崩溃;(2). 驱动程序、网络协议、文件系统和应用程序都处于程序空间,都调用相同的内核API,开发与调试和应用程序没有区别;(3). 操作系统功能模块可以根据需要动态地加载或卸载,不需要编译内核。在高可靠性要求的情况下,可以编写监视模块,对可靠性要求高的模块进行监视,必要的时候重新启动或重新加载而无须重启系统。高可靠性的内核结构使QNX具备了高可靠性嵌入式操作系统的本质特征。

    QNX Neutrino实时操作系统(RTOS):内存受保护的微内核架构。

    QNX Neutrino实时操作系统架构如下图所示:

    QNX Neutrino RTOS是功能齐全性能可靠的简化版操作系统,可满足最小规格的实时嵌入系统的有限资源要求。其真正的微内核操作系统和模块化架构可使客户以较低的运行总成本创建高度优化的可靠系统。

    (1). 该系统建立在真正的微内核架构上。在这种系统中,所有驱动程序、应用程序、协议栈和文件系统都在内核外部内存受保护的安全的用户空间内运行。几乎所有组件在出现故障时都能自动重启而不会影响其他组件或内核。

    (2). 该系统采用模块化结构,可允许用户动态升级模块、引入新功能或实施问题修复,而无高增加停机时间和系统中断的成本。

    (3). 该系统采用多核技术和内置透明分布处理技术。

    (4). 该系统根据POSIX标准设计,只需通过简单地重新编译,就可移植既存代码、开源UNIX、Linux和因特网代码。通过标准应用程序接口,用户能重新使用应用程序代码。

    (5). 该系统利用自适应分区技术确保系统资源满足应用要求。

    (6). 该系统支持x86、PowerPC和ARM平台。

    QNX Momentics工具套件(Tool Suite):基于Eclipse的灵活集成开发环境。

    (1). 该工具套件包含用户所需的所有工具,便于迅速创建和优化用于QNX Neutrino实时操作系统的应用程序。从板卡启动到远程诊断,QNX Momentics工具套件为用户提供在整个开发周期内节省时间的工具,而且全部在单独、使用简便的环境中进行。

    (2). 用户可选择自己喜欢的编程语言、主机和目标机。利用QNX Momentics工具套件,用户可使用C、C++、嵌入式C++编程;可以在Windows或Linux主机中开发程序;并以ARM、PowerPC和x86处理器为开发目标,所有工具都取自相同的集成开发环境(IDE)。该工具套件还提供极大的灵活性,允许用户同时混用多种编程语言和处理器架构。

    (3). 该工具套件提供了大量的优质高效的分析工具,以加快产品交付所有阶段的进展。该工具套件包括许多非侵入式图形分析工具,以帮助用户轻松隔离并呈现资源的使用情况、定位瓶颈并对系统性能进行精确调整,包括应用程序剖析、系统剖析和内存分析。

    (4). 该工具套件支持所有QNX Neutrino实时操作系统技术,包括多核技术、扩展网络、闪存文件系统、高级图形和透明分布处理技术等。

    (5). 该工具套件中含有经过优化的GCC编译器、GDB调试程序。

    关于QNX的中文论坛:https://www.openqnx.com/chinese/

    注:以上整理的内容全部来自于QNX官方文档及网络

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  • RTOS实时操作系统简介

    千次阅读 2016-09-12 18:55:46
    嵌入式系统是将应用程序、操作系统、和计算机硬件在一起的系统,是指以应用为中心,以计算机技术为基础,软硬件可裁剪,其针对的用户应用对功能、可靠性、成本、体积、功耗和使用环境有特殊要求的专用计算机系统。...

    实时系统:

    Real-time System 是一种很特殊的系统,一般应用于嵌入式领域,与嵌入式系统有很多交集,但它与嵌入式系统有所区别。

    嵌入式系统是将应用程序、操作系统、和计算机硬件在一起的系统,是指以应用为中心,以计算机技术为基础,软硬件可裁剪,其针对的用户应用对功能、可靠性、成本、体积、功耗和使用环境有特殊要求的专用计算机系统。

    而实时系统的核心特征是实时性,本质就是任务处理所花费时间的可预测性,任务要在规定时间内完成。包含两个重要特征:逻辑和功能的正确性以及时间的精确性。

    依据超过限制时间后系统计算结果的有效性可以将实时系统分为硬实时系统和软实时系统,对于硬实时系统:一旦超过规定的时限,系统 的计算结果将完全失效或者高度失效,系统将遭受毁灭性的灾难(比如,核电站控制、水坝控制),而在软实时系统中,系统的计算结果大打折扣,但不致于像硬实时操作系统一样失效,而是主要体现在系统的性能会下降。


    实时操作系统:

    在实时系统中的一个关键组成部分是实时操作系统,其在实时系统中起着核心作用,整个实时系统是在实时操作系统的控制下来管理和协调各项工作,根据各个任务的优先级,动态的切换各个任务,保证对实时性的要求。

    实时操作系统也分为软实时操作系统和硬实时操作系统,不同的实时操作系统对于时限的要求是不一样的,两者的区别通常与系统的时间精度有关,典型的软实时任务的调度精度大于千分之一秒,而典型的硬实时系统任务为微秒级,出名的硬实时操作系统有rtems,vxworks,qnx等,软实时操作系统则有wince、Linux2.6.x。


    调度:

    在多任务(线程)系统中,决定运行哪个任务,这是操作系统内核的主要职责之一,多数实时内核是基于优先级调度算法,高优先级的可以马上执行任务占有CPU运行,根据何时让高优先级任务掌握CPU的使用权,可把操作系统内核分为两种类型,即不可抢占型操作系统内核和可抢占型操作系统内核。

    不可抢占型内核:

    要求每个任务自我放弃CPU的使用权,只要任务自身不放弃CPU,它就可以一直运行下去,虽然对于外设的异步事件还是由中断服务来处理,即东段服务可以使一个高优先级的任务由阻塞变为就绪状态,但中断服务以后控制权还是回到原来被中断了的任务,只有等该任务主动放弃CPU的使用权时,高优先级的任务才能获得CPU的使用权。

    在不可抢占型内核中,由于每个任务要运行到自身结束才释放CPU的控制权,所以可以在任务中使用不可重入函数,而不必担心其他任务可能也会正在使用该函数,从而造成对共享数据的破坏。缺点是响应时间过于缓慢,因为高优先级的内务要等到当前运行的任务释放CPU后才能运行,导致不可抢占型内核的任务响应时间时不确定的,因为这个缺陷,使得实时操作系统中,这种内核比较少。


    可抢占型内核:

    绝大多数实时操作系统内核都是可抢占型,在可抢占型内核中,处于最高优先级的任务一旦就绪,内核马上调度此任务,让最高优先级的任务总能得到CPU的控制权,这样使得任务响应时间得到最优化。

    使用可抢占型内核时,应用程序不能直接使用不可重入型函数,因为可能会造成数据破坏,如果确定需要调用不可重入型函数,那么在调用函数时必须满足互斥条件。


    任务(线程)状态:

    任务运行过程中,每个任务都处在以下五种状态之一:

    1.创建态(new):一个任务正在被创建,还没被转到就绪状态之前的状态

    2.就绪态(ready):该任务获得了除了CPU以外的所有一切资源,但由于还没占有到CPU,因此还暂时不能运行。

    3.运行态(running):该任务获得了CPU的使用权,正在运行中

    4.阻塞态(Blocked):该任务在等待某一事件发生,而暂停运行

    5.退出态(exit/dormant):一个任务正在从系统消失。

    可能的状态变化如下:

    NULL-new:一个新任务被产生

    new-ready:任务创建完毕并初始化后,准备运行,变成就绪状态

    ready-running:处于就绪状态被任务调度程序选中后,分配到CPU上运行

    running-exit:当任务已经完成或者出错,操作系统将其结束

    running-ready:运行时任务,由于分配给他的处理时间片用完或者被高优先级任务抢占而让出CPU

    running-blocked:当任务请求某资源且必须等待

    blocked-ready:当任务要等待的事件到来时,从阻塞变成就绪状态



    任务调度算法:

    当多个就绪任务的优先级不同时,选择优先级高的获得CPU控制权,这种调度方法称为优先级调度法,当两个或两个以上的任务有同样的优先级,有两个方法可以采用,一个是FIFO先入先出调度,第二个就是内核允许一个任务运行确定好的一个时间片,然后切换给另一个任务,这种调度方法称为时间片轮转调度法,也称时间片调度,当内核满足以下条件时,就把CPU控制权转给下一个任务就绪的任务:

    当前任务的时间片用完了

    当前任务在时间片还没结束就完成了


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空空如也

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