磁盘
主存的再下一层次就是磁盘（硬盘）
它最慢，比我们的主存慢了三个数量级，而慢的主要原因是因为它是一种机械装置
磁盘中的每一个盘片都在高速的旋转
每个盘面一个读写头（磁头），每个磁头可以读一段环形区域，称为磁道。
把给定臂的所有磁道合并起来，形成一个柱面，这个柱面可以移动，机械臂从一个柱面移到另一个柱面1ms，还要等到扇区旋转至磁头下，有要5-10ms，所以造成了延迟
固态硬盘并不是磁盘，它没有移动的部分，数据只是存在存储器(闪存)中
许多计算机支持虚拟内存机制(以后会讲到)，这种机制使得期望运行大于物理内存的程序成为可能，这种机制由CPU中的存储器管理单元（MMU）来完成
如图
缓存和MMU的出现对系统的性能有着重要影响，对来自缓存中的块写回磁盘并修改MMU中的寄存器的代价非常昂贵，程序员努力避免这些操作，后面会看到这些操作所产生的影响
I/O设备
cpu和存储器并不是操作系统唯一管理的资源，I/O设备也有着密切的相互影响
它包括设备控制器和设备本身
控制器为操作系统提供一个接口（这些极其复杂）
比如磁盘控制器，它接收到指令，读取磁盘2，某扇区。接着就是柱面的移动等一系列机械操作
所以控制器中通常安装一个小的嵌入式计算机，运行为执行这些工作的程序
设备的自身也有一个简单的接口，这些接口都通常都被标准化的，例如现在的SATA是很多计算机的标准硬盘接口
注意，操作系统看到的是控制器的接口，这个接口可能和设备接口有很大区别
每类设备控制器都是不同的，所以需要不同的软件进行控制，专门与控制器对话
而这些软件就是 设备驱动程序（device driver）
每个控制器厂家必须为不同的操作系统提供相应的设备驱动程序
如一台打印机有windows7、windows8、linux的设备驱动程序
要运行设备驱动程序，需要安装到操作系统中，它可在内核态下运行，用户态也可，只不过后者要求较高
将设备驱动程序装入操作系统有三个途径
一 将内核与设备驱动程序重新链接，然后重启
二 在操作系统文件中设置一个入口，告知该文件需要一个设备驱动程序
三 运行时接受新的驱动程序并安装好，无需重新启动系统，比如USB
每个控制器都会有少量用于通讯的寄存器，比如磁盘控制器中，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，设备驱动程序需要从操作系统中获得指令，并写入寄存器中，这些寄存器所组成的集合构成了I/O端口空间（我们将会从后面讲到）
在有些计算机中，这些寄存器的地址空间被映射到了操作系统的地址空间，这一就可以像普通存储字一样读出和写入，在这样的计算机中不需要专门的I/O指令，但占用了地址空间
另外一些计算机设备存储器被放进一个专门的I/O端口空间中，每个寄存器都有一个端口地址，这种不需要占用地址空间，但需要专门的I/O指令
实现输入输出的方法有三种
一 用户程序发出一个系统调用，操作系统翻译成一个对应设备驱动程序的过程调用，该设备驱动程序把数据送到指定的地方并返回，然后操作系统将控制返回给调用者，这种称为忙等待 占用cpu
二 设备驱动程序启动设备并且该设备操作完成时，发出一个中断，并通知操作完成
在操作系统中，中断非常重要，需要更细致的讨论
这个图有一个关于I/O设备的三步过程
1 驱动程序告知控制器，控制器启动设备
2 向中断芯片发出中断信号
3 如果芯片接收中断信号（看是否有更高级的中断）
4 中断控制器把该设备放回总线上，cpu可以继续总线，并知道哪个设备完成了操作
当cpu决定中断时，程序计数器和PSW被压入堆栈种，设备编号成为了部分内存的引用，用于寻找中断处理程序的地址，该部分内存称为中断向量
当中断处理程序开始后，它取走入栈的值并保存，然后查询设备状态。中断处理程序全部完成后它返回到用户尚未执行的头一条指令
三 为I/O使用一种特殊的 直接存储器访问芯片(DMA) 这种芯片由cpu设置，接着启动DMA，当完成工作后会发出一个中断
总线
图中的系统有很多总线,高速缓存、内存、PCIe、USB、STAT、DMI等总线
随着处理器越来越快，单总线已不能满足需求
操作系统必须了解所有的总线与配置
其中最主要的总线是PCIe总线
它取代了旧的PCI、ISA总线，它的好处是像网络报一样，所有数据不需同时到达
USB是用来给慢速设备连接电脑的，如键盘、鼠标等
USB1.0只 12m/s usb2.0 480m/s usb3.0 5Gb/s
如果想运行类似于图片的计算机，必须让操作系统知道哪些设备连接到了计算机上并配置他们
以前的连接一个设备，设备的寄存器有一个中断级别和固定地址
这就导致有可能两个中断级别相同的设备不能同时连接到计算机上
所以就有了即插即用的I/O系统，它主要是自动分配中断级别和地址
它与计算机启动密切相关
启动计算机
计算机的双亲板（母版）上有一个BIOS配置程序，它存在一块闪存RAM中
启动时，BIOS开始运行，他首先会检查所安装的RAM数量，并检查键盘等设备是否已安装，检查对应的设备驱动程序是否存在，若不存在，会被要求下载
接着，他开始扫描总线，若有新的则会被配置
等全部设备驱动程序加载完后，操作系统将他们调入内核
然后，初始化表格，创建相关进程
最后启动登录程序或界面
如果存在CD-ROM（有时是USB），系统会试图从中启动，若失败，系统将从硬盘启动
操作系统已存在了半多个世纪
其中出现了很多操作系统，我们将介绍比较出名的9个，再进入操作系统的概念
1大型机操作系统
2服务器操作系统
3多处理器操作系统
4个人计算机操作系统
5掌上计算机操作系统
6嵌入式操作系统
7传感器节点操作系统
8实时操作系统
9智能卡操作系统
操作系统概念（这里只是简单介绍，后面会详细讨论）
进程
本质是一个正在执行的程序，与之相关的是地址空间、资源集（寄存器）、进程的清单，及所有与之运行所需要的全部信息
进程基本是容纳着这个程序运行所需的信息的容器
一个进程被挂起后，再次启动时必须与之前的状态要一模一样
所以在操作系统中有一个进程表，记录着除程序自身的地址空间外的所有信息
所以一个挂起的进程包括自己的地址空间（也称磁芯映像），和与之对应的，在操作系统上的进程表
若一个进程，又创建了一个进程，则这个进程称为子进程，如果一直创建下去就会变为进程树
比如我们运行着编译工具，此时再键入一个命名，编译一个程序
编译工具必须创建一个新进程来执行编译程序
当编译完成后，执行编译程序的进程会执行一个系统调用来终止自己
系统管理器会授予每个进程一个UID，子进程与父进程拥有一个UID,UID中又有一个GID，GID相当于windows中的管理员，linux中的超级用户
地址空间
每台计算机都有一个主存，用来保存正在执行的程序。
所以一个进程可拥有的最大地址空间小于主存
所以进程可以用满主存，主存也可容纳该进程
那么进程的地址空间大于主存怎么办？
在以前，可能只能认命了
但现在，出现了正如前面所说的，虚拟内存技术，把地址空间的一部分装在主存一部分装在磁盘，需要时来回调用他们
文件
操作系统的主要职责隐蔽磁盘及I/O设备的细节特性，从而给程序员提供一个抽象的模型
文件就是很好的例子
大多操作系统都支持目录的概念，就是给文件分组和分类，目录项可以是文件或者目录
这样就产生了层次结构，构成文件系统
进程和文件都是树的结构，但进程很少超过三层，而文件一般三层以上，且存在的时间也比进程长久得多
从根目录开始往下延展的称为绝对路径，没有根目录的称为相对路径
每个进程都有一个工作目录，如果不是绝对路径，则从当下工作目录寻找
在unix系统中，有一种特殊文件，块特殊文件和字符特殊文件
管道（pip）
管道是一种虚文件，与文件有关，也与进程有关
它可以连接两个进程，如果进程A与进程B希望通过管道对话，必须要提前设置该管道
A想发送信息给B，就在管道上写入，B只要读取就行了
输入/输出
键盘、显示器、打印机这些全靠操作系统来管理
所以，每个操作系统都有一个管理这些设备的子系统（I/O子系统），与之对应的I/O软件
保护
比如linux上的 rwx位 对文件进行保护
shell
是用户和操作系统交互的接口
我们常见的windows界面，但他不是操作系统的一部分
系统调用
前面说过， 操作系统具有两种功能，提供抽象和管理资源
对用户来说，他们只能看到前者，比如创建、写入、删除文件
而后者是自动且透明的
想要真正理解操作系统的行为，必须仔细的分析这些接口
任何单cpu计算机一次只能执行一条命令
当用户正在运行一个用户程序时，突然需要一个服务，比如文件读取数据，那么它必须执行一个陷阱或系统调用，将控制移交给操作系统，操作系统找出所需要的调用过程，执行他然后返回给这个用户程序后面跟随的指令
比如提供 过程库 使c程序能够使用系统调用
如read调用
count = read（fd，buffer，nbytes）；
第一，二，三步，把程序压入堆栈中
第四步，对库过程的实际调用
第五步，放在寄存器中
第六步，执行一个TRAP指令，将用户态切换到内核态，并在一个指定块里执行
第七步，分派正确的系统调用处理器
第八步，系统调用处理器运行
第九步，返回给用户空间库过程
第十步，返回到用户程序
接下来我们将讨论一下POSIX（international standard 9945-1）
他大概有100个过程调用
主要分为4类
1.进程管理、2.文件管理、3.目录和文件系统管理、4.杂项
1.用于进程管理的系统调用
在shell中执行一个命令，shell调用了fork创建了一个新进程（子进程）
这个子进程必须执行用户的命令
在cp file1 file2中
cp主程序都有声明 main（argc，argv，envp）
argc是该命令行有关参数的数目，包括cp的名称，如在cp file1 file2中argc为3
argv是一个指向数组的指针，argv[o],argv[1],argv[2]分别指向cp file1 file2
envp是指向环境的指针，在cp这个例子中的环境变量为数组，fork中没有环境变量
UNIX中将进程分为三段
堆栈向下增长
数据向上增长
夹在中间的是未使用的地址空间
2.用于文件管理的系统调用
lseek，是一个文件当前的指针
它有三个参数，第一个文件的描述符，第二个文件的位置，第三个说明文件是相对于文件起始位置、当前位置还是结尾
3.用于目录管理的系统调用
这里有注意的是link 是允许同一个文件以两个或多个名称出现
link（"/usr/jim/memo","usr/ast/note"）
jim目录中的文件memo以文件名note进入了sat目录中
其本质就是i-编号对i-节点表格的一个引用，因为我们的文件是（i-编号，ASCII名称）的结构
mount可以将usb文件系统添加到根文件系统中
4.各种系统调用
Windows Win32 API（Win32应用编程系统）
前面我们主要讨论的是UNIX系统
接下来我们将讨论windows
UNIX与windows的主要区别在于，前者是通过代码做各种处理，而后者是事件驱动型，就是主程序等待响应，比如敲键盘等
在UNIX中系统调用（read）和系统调用所使用的库过程（read）是一一对应的，换句话说就是，每启动一个系统调用，就要启动一个对应的库过程，POSIX大约有100个
在windows中就不一样了，库调用和实际的调用几乎不对应
win 32API 给用户提供了这个接口，他大概有1000多个，且大部分都是在用户空间的库调用，他们不陷入内核
在window中没有子进程和父进程的概念，他们被创建后是平等的
