操作系统概述

前言

操作系统是控制管理整个计算机系统的软件与硬件资源，合理地组织和调度计算机的工作和资源的分配，进而为用户和应用程序提供方便接口与环境的程序集合，是一种最基本的系统软件。目前常用的计算机操作系统有windows，linux等，本文将从宏观的角度总结操作系统的工作流程，将分散的知识链接在一起，有助于理解操作系统。

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要让一个操作系统在计算机上运行起来，首先需要一个安装操作系统的硬盘。

硬盘

每块硬盘在厂家生产出来出厂之前，会经历一次物理格式化，物理格式化是将硬盘划分出柱面和磁道，再将磁道划分为一个一个扇区（也就是盘块），因此在出厂时，硬盘的每一块已经划分好，相应每一块有一个物理地址。

在使用硬盘之前先将硬盘分区，分区的目的是方便管理和使用文件，同时分区后簇变小，由于一个簇只能被一个文件占有，若文件很小会造成空间浪费，因此分区有利于减小内部碎片，提高存储利用率。分区之后要进行逻辑格式化，不同于物理格式化，逻辑格式化的目的是給磁盘的分区装入文件系统，以管理磁盘中的文件，常见的文件系统有FAT32、NTFS、exFAT、EXT4等，每个分区的文件系统可以不同。

计算机开机过程简述

按下电源键后，启动CPU，CPU会运行BIOS内部程序，（BIOS是“Basic Input Output System”的缩写，即基本输入输出系统，它是一组固化到计算机内主板上一个ROM芯片上的程序，是个人电脑启动时加载的第一个软件，它保存着计算机最重要的基本输入输出的程序、开机后自检程序和系统自启动程序，它可从CMOS中读写系统设置的具体信息。其主要功能是为计算机提供最底层的、最直接的硬件设置和控制。引自百度百科）首先运行BIOS里的boot block（引导程序），检查code block（普通程序）代码无误后，转去执行code block。将磁盘的第一个盘块读入内存，并且将FAT表及在FAT表之后的根目录读入内存（FAT表是文件分配表，是在逻辑格式化时选择FAT32文件系统所生成，FAT表的每一项对应于磁盘中的一个盘块），第一个盘块里存放引导程序，执行引导程序，在根目录下的某个目录下找到操作系统的内核程序，载入内存，计算机由操作系统开始掌管。

目录和文件的创建

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注：假定最开始的磁盘是这样的

假定最开始的磁盘如上图所示，方框上面一行是块号（虽然1号块画的比其他块都要大，但那是为了说明问题，实际上所有的块同样大），第0块存放引导块，第1块存放FAT表（假定FAT表只占一块），第二、三块存放根目录的文件目录···FAT表项假定-1表示某文件最后一个盘块，-2表示该盘块空闲。根目录的文件目录下已存有logo.png、windows目录等文件的FCB，FCB包含若干信息，为简化起见，只保存文件名，文件类型和文件存放的物理块号。

现在在根目录下创建一个新的目录A，首先创建目录项FCB，并在FAT表中寻找一个空闲的盘块（比如4号块）分配给目录A用来存放A对应的目录文件。如下图：
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注：在根目录下创建A并且在A目录下创建B目录之后

如上图所示，根目录下创建了A目录并且A目录下创建了B目录，并且B目录下又存了一些文件，随着文件的添加删除，盘块被系统的分配回收，7号盘块被占用，10号盘块被占用，而中间的6、8、9是空闲的。

安装应用程序

现假定要在A目录下装一个WPS并且假定WPS占地4个盘块，首先创建文件的FCB，并寻找4个空闲盘块（假定为6、8、9、11块）分配给WPS，WPS安装程序将WPS的代码数据写入分配给他的4个盘块，系统修改相应的FAT项，如图所示：
安装WPS之后:
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启动应用程序

安装WPS之后就可以运行WPS了，想象你双击WPS在桌面的快捷方式，快捷方式类似于一种软链接，操作系统根据快捷方式提供的路径开始查找文件，先从根目录找到目录A的FCB，得到目录A的目录文件所在的磁盘块号，从磁盘将目录A的目录文件调入内存，在其中寻找WPS.exe的FCB，由此得到WPS程序存放的磁盘块号，将WPS逻辑上的第0块（即物理上的磁盘第6块）调入内存。

运行应用程序

在磁盘第6块调入内存的同时，操作系统创建进程，也就是创建进程的PCB（PCB是进程存在的唯一标志！），在创建PCB时，也创建了进程对应的页表，并初始化页表，页表存放在进程的PCB中。PCB创建成功后，经系统调度，进程开始获得处理机运行。
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注：调入6号块之后的内存和页表

如图所示，6号块调入内存时，系统会在内存中该进程的驻留集中寻找一个空闲的页框，以便盘块内容调入页框中，假定选定211号页框。同时系统初始化进程页表，填写页号、页框号、有效位、修改位、磁盘块号等，其中磁盘块号随着进程的第0块调入内存，所有的磁盘块号都会通过查阅FAT表填入页表。

当前系统中可能有多个进程，因此在内存的系统区，存在多个PCB，多个进程涉及到进程的并发执行，从而有进程调度以及进程的状态切换，同时对于临界区的访问，还涉及到死锁、同步和互斥。

在请求式分页管理方式中，不必调入全部的页面进程便开始运行。假定调入进程的第0块后，WPS开始运行，如果在运行时需要用到第1块的数据或者代码，查阅页表后页面不在内存中且得知缺失的页面存放在磁盘第8块，此时产生缺页中断，请求操作系统调入第1块（磁盘块号第8块）（假定页框为985），与此同时进程阻塞，页面调入后进程重新回到原来中断的代码执行。如果驻留集已满，要调入新的磁盘块，此时需要利用页面置换算法，换出一个页面，将所需页面调入内存。

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注：调入8号块之后的内存和页表

保存文件

用WPS撰写的文档，在点击保存或者另存为前会保存在内存新页中。当需要保存文档时，通过系统调用，在默认路径或者指定路径下的目录文件中创建FCB（xx.doc）（创建FCB的过程如前所述）。保存时，进程首先打开（open系统调用） xx.doc（刚刚创建的那个），然后将内存中的文档内容写入（write系统调用）xx.doc，完成文档的保存。