前端小魔女

V1

2022/11/03阅读:19主题:蔷薇紫

计算机底层知识之操作系统

给时光以生命,而不是给生命以时光

大家好,我是柒八九

今天,我们继续计算机底层知识的探索。我们来谈谈关于操作系统的相关知识点。

如果,想了解该系列的文章,可以参考我们已经发布的文章。如下是往期文章。

文章list

  1. 计算机底层知识之CPU
  2. 计算机底层知识之二进制
  3. 计算机底层知识之处理小数
  4. 计算机底层知识之内存和磁盘的关系&数据压缩
  5. 计算机底层知识之运行环境&可执行文件

你能所学到的知识点

  1. 操作系统功能的历史 推荐阅读指数 ⭐️⭐️⭐️⭐️
  2. 意识到操作系统的存在 推荐阅读指数 ⭐️⭐️⭐️⭐️
  3. 系统调用和高级编程语言的移植性 推荐阅读指数 ⭐️⭐️⭐️⭐️⭐️
  4. 操作系统和高级编程语言使硬件抽象化 推荐阅读指数 ⭐️⭐️⭐️⭐️⭐️
  5. Windows 操作系统的特征 推荐阅读指数 ⭐️⭐️⭐️

好了,天不早了,干点正事哇。


操作系统功能的历史

在计算机中尚不存在操作系统的年代,完全没有任何程序,因此程序员就需要编写出处理相关的所有程序。用机器语言编写程序,然后再使用开关将程序输入,这个过程非常麻烦。于是,有人开发出仅具有加载运行功能监控程序,这就是操作系统的原型。

通过事先启动监控程序,程序员就可以根据需要将各种程序加载到内存中运行。

随着时代的发展,人们在利用监控程序编写程序的过程中,发现很多程序都有共通的部分。例如,键盘输入、显示器输出文字等。因此,基本的输入输出部分的程序被追加到了监控程序中。因此,初期的操作系统就应用而生了。

初期的操作系统 = 监控程序 + 基本的输入输出程序
初期的操作系统 = 监控程序 + 基本的输入输出程序

之后,开始有更多的功能被追加到监控程序中。例如,硬件控制程序、语言处理器(汇编、编译、解析)以及各种实用程序等。从此可知,操作系统本身并不是单独的程序,而是多个程序的集合体


意识到操作系统的存在

我们希望制作应用的程序员意识到一点,那就是他们制作的不是硬件,而是利用操作系统功能的应用

虽然,对程序员来说,掌握硬件的基本知识是必需的,不过,在操作系统诞生后,就没有必要再编写直接控制硬件的程序了。不过,要想成为一个全面的程序员,有一点需要清楚的是,掌握基本的硬件知识,并借助操作系统进行抽象化,可以大大提高编程效率。

在操作环境这个运行环境下,应用并不是直接控制硬件,而是通过操作系统来间接控制硬件。


系统调用和高级编程语言的移植性

操作系统的硬件控制功能,通常是通过一些小的函数集合的形式来提供的。这些函数及调用函数的行为统称为系统调用System Call,也就是应用对操作系统的功能进行调用。

C语言等高级编程语言并不依存于特定的操作系统。这是因为无论Windows还是Linux都能使用几乎相同的源代码。因此,高级编程语言的机制就是,使用独自的函数名,然后再在编译时将其转换成相应操作系统的系统调用

用高级编程语言编写的应用在编译后,就转换成了利用系统调用的本地代码


操作系统和高级编程语言使硬件抽象化

通过使用操作系统提供的系统调用,程序员就没必要编写直接控制硬件的程序了。而且,通过使用高级编程语言,有时甚至也无需考虑系统调用的存在。这是因为操作系统和高级编程语言能够使硬件抽象化

我们用C语言编写一个往文件中写入字符串的应用。

#include <stdio.h>

void main(){
  //打开文件
  FILE *fp = fopen("MyFile.txt","w");
  
  /写入文件
  fputs("前端柒八九",fp);
  // 关闭文件
  fclose(fp);
}
  • fopen()是用来打开文件的函数
  • fputs()是用来往文件中写入字符串的函数
  • fclose()是用来关闭文件的函数

在应用被编译运行后,MyFile文件中就会被写入前端柒八九字符串。

文件是操作系统对磁盘媒介空间的抽象化

正如前面介绍过,硬件被划分为了多个扇区,并以扇区为单位对磁盘进行读写。

变量fp中被赋予的是fopen()函数的返回值。该值称为文件指针。应用打开文件后,操作系统就会自动申请分配用来管理文件读写的内存空间。这个内存空间的地址可以通过fopen()函数的返回值获得。用fopen()打开文件后,接下来就是通过指定文件指针来对文件进行操作。


Windows 操作系统的特征

  1. 32/64位操作系统
  2. 通过API函数集来提供系统调用
  3. 提供采用了图形用户界面Graphical User Interface的用户界面
  4. 通过WYSIWYG实现打印输出
  5. 提供多任务功能
  6. 提供网络功能及数据库功能
  7. 通过即插即用实现设备驱动的自动设定

我们来挑几个我们比较感兴趣的来简单讲讲。

通过WYSIWYG实现打印输出

WYSIWYGWhat You See Is What You Get的缩写。翻译成中文就是所见即所得

WYSIWYG指的是显示器上显示的内容可以直接通过打印机打印输出。在Windows中,显示器和打印机是被作为同等的图形输出设备处理的,而该功能也就为WYSIWYG的实现提供了条件。

借助WYSIWYG功能,基本上在同一个程序中就可以实现显示和打印这两方面的操作了。

提供多任务功能

多任务指的是同时运行多个程序的功能。Windows是通过时钟分割技术来实现多任务功能的。

时钟分割指的是在短时间间隔内,多个程序切换运行的方式。在用户看来,就是多个任务在同时运行。而Windows会自动切换多个程序的运行。此外,Windows还具有以程序中的函数为单位来进行时钟分割的多线程功能

提供网络功能及数据库功能

Windows中,网络功能是作为标准功能提供的。数据库功能有时也会在之后进行追加。网络功能和数据库功能,虽并不是操作系统本身不可欠缺的功能,但因为它们和操作系统很接近,所以被统称为中间件而不是应用。

中间件的意思是处于操作系统和应用的中间

操作系统和中间件合在一起,也称为系统软件

通过即插即用实现设备驱动的自动设定

即插即用Plug-and-Play指的是新的设备连接(Plug)后立刻就可以使用(Play)的机制。新的设备连接到计算机后,系统就会自动安装和设定用来控制该设备的设备驱动程序。

设备驱动是操作系统的一部分,提供了同硬件进行基本的输入输出的功能。


后记

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参考资料:《程序是怎样跑起来的》

全文完,既然看到这里了,如果觉得不错,随手点个赞和“在看”吧。

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