计算机基本原理 学习笔记（九）

本篇目录

接上）

十三、操作系统

1.由来

2.操作系统OS

3.批处理

4.设备驱动程序

5.多任务处理

6.动态内存分配

7.分时操作系统

8.Unix系统

9.MS-DOS系统

10.windows系统

十四、内存&存储介质

1.内存与存储器

2.打孔纸卡&纸带

3.延迟线存储器

4.磁芯存储器

5.磁带

6.磁鼓存储器

7.硬盘

8.内存分级

9.软盘

10.光盘

总结

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接上一篇 学习笔记（八）

十三、操作系统

1.由来

最初的计算机需要人工将写有程序的纸卡放入计算机，每次放入一个程序的纸卡，运行完后再换另一个程序的纸卡。但随着计算机的速度逐渐提高，换纸卡的时间比程序运行的时间还长，这时人们希望计算机能够自动读取多个程序，于是操作系统（这种软件）应运而生。

2.操作系统OS

操作系统，简称OS，也是一种软件，但是有操作硬件的权限，可以运行和管理其它程序。它一般是开机后第一个启动的程序，之后操作系统来启动其它应用程序。操作系统开始于1950年代。

3.批处理

以前的计算机一次只能运行一个程序，而有了操作系统之后，就可以管理需要运行的程序，让计算机运行完一个程序后自动读取下一个，这就是批处理。

4.设备驱动程序

随着计算机的普及，程序员不仅要关心如何写程序，还要关心如何使程序与各种不同型号的CPU以及各种外设（打印机、显示器等）做适配。与早期的外部设备的交互是非常底层的，程序员需要了解硬件底层细节，但在写程序时很少能拿到所有型号来测试。为了解决这一问题，操作系统就充当了软件与硬件之间的媒介。操作系统隐藏了硬件底层细节的复杂性，向外提供API来抽象硬件，这叫“设备驱动程序”，而程序员只需要用标准输入与输出机制与外部设备交互即可。

5.多任务处理

随着处理器速度越来越快，处理器经常处于等待外设的状态（阻塞状态）。英国曼彻斯特大学研发了世界上第一台超级计算机Atlas，为了尽可能发挥计算机的作用，开发人员写了一个操作系统程序Atlas Supervisor。这个操作系统不仅像早期的批处理系统那样能自动加载程序，还能在单个CPU上同时运行几个程序。这就是多任务处理。它通过调度来实现这一功能。

假设程序A需要与外设交互时，CPU就将程序A休眠，等待程序A与外设交互任务的完成。在程序A休眠期间，CPU会将运行权分配给其它程序。等到外设交互任务完成，程序A会向CPU报告，CPU会将程序A重新设置为可执行状态，然后在之后某一个时间继续运行程序A。

6.动态内存分配

同时运行多个程序会出现一个问题，就是内存的分配问题。解决方法是为每个程序块分配专属的内存空间。而一个程序在运行期间有可能临时申请新的内存空间，操作系统可以决定是否允许这种申请。这样做能够灵活使用内存空间，但会导致一个程序可能会分配到非连续的内存块。于是，为了方便程序员编程，操作系统向外提供一个虚拟地址，即程序员会看到每个程序都有一个从0开始的连续内存空间（这就是虚拟内存），操作系统内部隐藏了虚拟地址与物理地址的映射关系。

这种机制使得程序的内存大小可以灵活地增减，这叫“动态内存分配”。同时，这种机制给每个程序分配单独的内存空间，这样即便一个程序出错，也不会影响其它程序的运行。这就是“内存保护”。这种机制对于防恶意软件也很有用。

Atlas既有“虚拟内存”也有“内存保护”，是世界上第一台支持这些功能的计算机和操作系统。

7.分时操作系统

随着电脑的普及，高校开始买计算机供学生使用。这时的计算机不仅能同时运行多个程序，还能让多用户同时访问。每个学生通过一个终端（屏幕和键盘）来访问主机。为了避免一个用户占满计算机资源，“分时操作系统”应运而生。每个用户只能用一小部分处理器、内存等资源。

早期分时操作系统中，最有影响力的是1969年发布的Multics。这是第一个从设计时就考虑到多用户访问安全的操作系统。这导致Multics的复杂度超过当时的平均水平，操作系统（占1MB）占了内存的一半，因而没有获得大的商业成功。

8.Unix系统

Multics的两位开发人员在1971年联手打造了新的操作系统，Unix。他们把Unix分为两部分，一部分是核心功能，即内核，包含了如内存管理、多任务、输入/输出处理等；另一部分是一堆有用的工具，比如程序和运行库。

Unix内核如果崩溃，没法恢复，就调用一个“panic”函数，开始无限循环地打印“panic”。这就是内核恐慌。这种设计使得开发人员不用写大量的错误恢复代码，也使得Unix可以在更多更便宜的硬件上运行，因而大受欢迎。不久就有人写了不同编程语言的编译器，甚至文字处理器。

9.MS-DOS系统

1980年代早期，计算机开始在普通家庭普及，操作系统也很简单，比如微软的MS-DOS系统。发布于1981年，成为早期家用电脑最受欢迎的操作系统。MS-DOS没有“多任务”和“内存保护”这样的功能，这意味着一次只能运行一个程序，并且程序经常会使系统崩溃，但用户可以重启，因而还可以接受。

10.windows系统

微软在1985年发布的早期windows系统，在90年代很流行，也同样缺乏“内存保护”。如果程序崩溃导致系统也跟着崩溃了，系统就会蓝屏。如今windows系统有更好的保护机制，不会那么容易蓝屏。

虽然如今的智能设备一般都只有一个用户，但是操作系统依然有多任务处理、虚拟内存、内存保护等功能。

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十四、内存&存储介质

1.内存与存储器

内存是易失性存储，即断电会丢失数据，但是访存速度快。另一种是存储器，非易失性存储，但速度慢。不过近年来随着技术发展，两者速度差异变小。

2.打孔纸卡&纸带

最早期的存储介质就是打孔纸卡和打孔纸带。到1940年，纸卡标准是80列*12行，一张卡能存960bit数据。已知的最大纸卡程序，美国军方SAGE（半自动地面防空系统，于1958年投入使用）主程序存储在62500张纸卡上，大小相当于5MB。纸卡不用电，便宜耐用，一直用了十几年。缺点就是读取慢，且只能写入一次，打的孔无法轻易补上。这使得纸卡/纸带不适用于存储临时数据。

3.延迟线存储器

Eckert在1944奶奶建造ENIAC时发明了延迟线存储器的存储方法，原理是 ① 用一根管子装满液体（如水银），② 管子的一端放扬声器，另一端放麦克风，③ 扬声器发出脉冲时，会产生压力波，压力波经过一定时间传播到管子另一端，被麦克风捕获并转换回电信号。正因为压力波有传播延迟，因此这个装置可以被用来存储数据。有压力波代表1，没有压力波则代表0。扬声器将0和1的电信号转化为压力波的有无，通过管子进行传播，当一串压力波信号传播到麦克风端时，麦克风可以根据压力波的有无来将信号转换回1和0 。

如果在麦克风端加一个信号放大器来弥补信号衰弱，并且将麦克风端与扬声器端用导线连接起来（电信号沿导线传播几乎是瞬时的），那么这个装置就可以存储一段数据，这段数据在管子中不断循环，任意时间点只显示1bit的数据。因此，管子中可以存储多个bit的数据，但读取时需要等到正确的时机才能读取到想要的数据。

之后在EDVAC计算机中，开发人员也使用了延迟线存储器。这使得EDVAC成为最早的“存储程序计算机”之一。

不过延迟线存储器也有缺点，每一个时刻只能读取1bit的数据，因此也叫“顺序存储器”或“循环存储器”。开发人员希望能有“随机存取存储器”，可以随时访问任何位置。同时，增加内存密度，意味着压力波变得更加紧密，这会导致信号更容易混在一起。因此出现了其它类型的延迟线存储器，比如“磁致伸缩延迟存储器”。这种存储器利用金属线的振动来表示数据，通过将导线卷成线圈来增加存储密度。

总的来说，延迟线存储器在1950年代中期就基本过时了，因为出现了更好用的“磁芯存储器”。

4.磁芯存储器

每一个存储单元是一个小的圆环形磁圈（像一个甜甜圈），能存储1bit。如果给磁芯绕上导线并施加电流，就可以将磁芯磁化，电流方向决定了磁化方向，两种不同的磁化方向用于表示1和0 。如果关闭电流，磁芯仍会保持磁化状态，这就存储了数据。为了存储更多bit的数据，通常磁芯会被排列成网络，然后利用行列选择电线来选择某个特定的磁芯，进行数据读写。

磁芯存储的第一次大规模运用是1953年麻省理工学院的Whirlwind 1 计算机。磁芯存储器能随时访问任何一个bit的数据，流行了二十多年，而且一般还是手工编制的。

5.磁带

1951年，UNIVAC计算机（最早进行商业销售的电脑之一）推出了一种新的存储介质：磁带。磁带是卷在轴上的一长条纤薄柔软的磁性带子，它可以在磁带驱动器内前后移动。一个“写头”上绕有电线，并通过电流产生磁场，这个写头可以导致磁带的一小部分被磁化，写头上通入的电流方向决定了磁化方向，用以表示1 和 0 。另外还有一个“读头”，可以非破坏性地检测磁带某一部分的磁性，从而转化为信号1 或0 。

虽然磁带驱动器很贵，但磁带又小又便宜。因此至今磁带仍用于存档。磁带存储稳定可靠，主要缺点是访问速度。因为磁带是连续的，因此比如倒带或快进到特定位置才能访问特定数据。

6.磁鼓存储器

磁鼓与磁带类似。磁鼓存储器有金属圆筒，表面盖满了磁性材料以记录数据。滚筒会持续旋转，周围有数十个读写头，等滚筒转到正确位置，读写头会读写1bit数据。为了尽可能减小延迟，鼓轮每分钟上千转。1950年代磁鼓存储器发展旺盛，但到了1970年代磁鼓存储器不再生产。

7.硬盘

磁鼓导致了硬盘的发展。硬盘与磁鼓很像，原理是一样的，只不过硬盘用的是盘，而磁鼓用的是圆柱体。硬盘表面有磁性，读写头可以处理1和0信号。硬盘的优点是薄，因而可以叠在一起。IBM就是将磁盘叠在一起来制造第一台磁盘计算机IBM RAMAC 305 的。要读写数据时，一个读写头会上下移动来找到正确的磁盘，磁盘像磁鼓一样，也要高速旋转，等到磁盘转到正确位置，读写磁头会滑进磁盘之间，然后读写数据。RAMAC访问任意数据只需要六分之一秒的时间，这叫寻道时间。

8.内存分级

RAMAC计算机在使用先进的（当时是如此）磁盘存储器外，同时还有磁鼓存储器和磁芯存储器，因为磁盘的速度还不够快。计算机中的存储结构是分级的，在成本和时间中取得平衡。速度越快的存储器价格也越高。现代磁盘的速度已经提高许多，平均寻道时间低于百分之一秒。如今存储技术朝着固态前进，存储器内部没有机械活动部件，现在的U盘、硬盘内部都是集成电路。固态硬盘SSD（逐渐取代机械硬盘）内部没有机械部件，磁头不用等磁盘转，因而访问时间低于千分之一秒。但这仍然比内存慢很多。因此存储结构仍然是分级的。

与集成电路发展的摩尔定律类似，存储器也在飞速发展，价格逐渐降低。

9.软盘

软盘（Floppy Disk）是软的磁盘，其它基本与硬盘相同。软盘很便携，在1970-1990年代十分流行，但现在已经过时了，可以用来当杯垫，哈哈^_^ 。另外还有密度更高的软盘，如Zip Disks，在90年代中期流行起来，但十年内就消失了。

10.光盘

光学存储器于1972年出现，当时是激光盘。后来有了光盘CD，以及DVD。光盘的功能与硬盘、软盘一样，都是存数据。光盘表面有很多小坑，会造成光的不同反射，这种差异会被光学传感器捕获并解码为1和0 。

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总结

本篇内容：

1.操作系统

2.内存&存储介质