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计算机速成课Crash Course - 17. 集成电路摩尔定律 18. 操作系统
1940,1950 年代的电脑#…今天继续计算机速成课Crash Course的系列讲解。
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计算机速成课Crash Course - 17. 集成电路摩尔定律 18. 操作系统
1940,1950 年代的电脑每次只能运行一个程序程序员在打孔纸卡上写程序然后拿到一个计算机房间, 交给操作员等计算机空下来了操作员会把程序放入然后运行输出结果停机。 以前计算机慢这种手动做法可以接受运行一个程序通常要几小时几天甚至几周。
但上集说过计算机越来越快越来越快指数级增长很快放程序的时间比程序运行时间还长我们需要一种方式让计算机自动运作于是操作系统诞生了。
操作系统简称 OS其实也是程序但它有操作硬件的特殊权限可以运行和管理其它程序。操作系统一般是开机第一个启动的程序其他所有程序都由操作系统启动。
操作系统开始于 1950 年代那时计算机开始变得更强大更流行。
第一个操作系统加强了程序加载方式之前只能一次给一个程序现在可以一次多个当计算机运行完一个程序会自动运行下一个程序这样就不会浪费时间找下一个程序的纸卡这叫“批处理”。
电脑变得更快更便宜开始在出现在世界各地特别是大学和政府办公室。很快人们开始分享软件但有一个问题在哈佛1号和 ENIAC 那个时代计算都是一次性的程序员只需要给那一台机器写代码。
处理器读卡器打印机都是已知的但随着电脑越来越普遍计算机配置并不总是相同的比如计算机可能有相同 CPU但不同的打印机这对程序员很痛苦。
不仅要担心写程序还要担心程序怎么和不同型号打印机交互以及计算机连着的其他设备这些统称外部设备。 和早期的外部设备交互是非常底层的程序员要了解设备的硬件细节加重问题的是程序员很少能拿到所有型号的设备来测代码所以一般是阅读手册来写代码祈祷能正常运行。
现在是即插即用以前是祈祷能用这很糟糕所以为了程序员写软件更容易。
操作系统充当软件和硬件之间的媒介更具体地说操作系统提供 API 来抽象硬件叫设备驱动程序程序员可以用标准化机制和输入输出硬件I/O交互。
比如程序员只需调用 print(highscore)操作系统会处理输到纸上的具体细节。
到 1950 年代尾声电脑已经非常快了处理器经常闲着等待慢的机械设备比如打印机和读卡器程序阻塞在 I/O 上而昂贵的处理器则在度假就是放松啥也不做。
50年代后期英国曼彻斯特大学开始研发世界上第一台超级计算机Atlas他们知道机器会超级快所以需要一种方式来最大限度的利用它。
他们的解决方案是一个程序叫 Atlas Supervisor于1962年完成这个操作系统不仅像更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它通过调度来做到这一点。 假设 Atlas 上有一个游戏在运行并且我们调用一个函数 print(highscore)它让 Atlas 打印一个叫 highscore 的变量值让朋友知道 我是最高分冠军。 print 函数运行需要一点时间大概上千个时钟周期但因为打印机比 CPU 慢与其等着它完成操作但因为打印机比 CPU 慢与其等着它完成操作Atlas 会把程序休眠运行另一个程序最终, 打印机会告诉 Atlas, 打印已完成Atlas 会把程序标记成可继续运行之后在某时刻会安排给 CPU 运行并继续 print 语句之后的下一行代码。 这样, Atlas 可以在 CPU 上运行一个程序同时另一个程序在打印数据同时另一个程序读数据。
Atlas 的工程师做的还要多配了4台纸带读取器4台纸带打孔机多达8个磁带驱动器使多个程序可以同时运行在单个 CPU 上共享时间操作系统的这种能力叫多任务处理。
同时运行多个程序有个问题每个程序都会占一些内存当切换到另一个程序时我们不能丢失数据解决办法是给每个程序分配专属内存块。
举个例子假设计算机一共有 10000 个内存位置程序 A 分配到内存地址 0 到 999而程序 B 分配到内存地址 1000 到 1999以此类推。 如果一个程序请求更多内存操作系统会决定是否同意如果同意分配哪些内存块这种灵活性很好但带来一个奇怪的后果程序 A 可能会分配到非连续的内存块比如内存地址 0 到 999以及 2000 到 2999。
这只是个简单例子真正的程序可能会分配到内存中数十个地方你可能想到了这对程序员来说很难跟踪。
也许内存里有一长串销售额每天下班后要算销售总额但列表 存在一堆不连续的内存块里为了隐藏这种复杂性操作系统会把内存地址进行 虚拟化这叫 虚拟内存程序可以假定内存总是从地址0开始简单又一致而实际物理位置被操作系统隐藏和抽象了。
一层新的抽象
用程序 B 来举例它被分配了内存地址 1000 到 1999对程序 B 而言它看到的地址是 0 到 999操作系统会自动处理虚拟内存和物理内存之间的映射如果程序 B 要地址 42实际上是物理地址 1042这种内存地址的虚拟化对程序 A 甚至更有用。 在例子中A 被分配了两块隔开的内存程序 A 不知道这点以 A 的视角它有 2000 个连续地址当程序 A 读内存地址 999 时会刚好映射到物理内存地址 999。
但如果程序 A 读下一个地址 1000会映射到物理地址 2000这种机制使程序的内存大小可以灵活增减叫动态内存分配。
对程序来说内存看起来是连续的它简化了一切为操作系统同时运行多个程序提供了极大的灵活性给程序分配专用的内存范围另一个好处是 这样隔离起来会更好。
如果一个程序出错开始写乱七八糟的数据它只能捣乱自己的内存不会影响到其它程序这叫 内存保护。
防止恶意软件如病毒也很有用。例如我们不希望其他程序有能力读或改邮件程序的内存如果有这种权限恶意软件可能以你的名义发邮件甚至窃取个人信息一点都不好
Atlas 既有虚拟内存也有内存保护是第一台支持这些功能的计算机和操作系统
到 1970 年代计算机足够快且便宜大学会买电脑让学生用计算机不仅能同时运行多个程序还能让多用户能同时访问多个用户用终端来访问计算机。 终端只是键盘屏幕连到主计算机终端本身没有处理能力冰箱大小的计算机可能有50个终端能让50个用户使用这时操作系统不但要处理多个程序还要处理多个用户为了确保其中一个人不会占满计算机资源开发了“分时操作系统”。
意思是每个用户只能用一小部分处理器内存等因为电脑很快即使拿到 1/50 的资源也足以完成许多任务。
早期分时操作系统中最有影响力的是Multics多任务信息与计算系统于 1969 年发布。
Multics 是第一个从设计时就考虑到安全的操作系统开发人员不希望恶意用户访问不该访问的数据。比如学生假装成教授访问期末考试的文件这导致 Multics 的复杂度超过当时的平均水准。
操作系统会占大约 1 Mb 内存这在当时很多可能是内存的一半只拿来运行操作系统
Multics 的研究人员之一 Dennis Ritchie 曾说过阻碍 Multics 获得商业成功的一个明显问题是从某种方面来说它被过度设计了功能太多了。 所以 Dennis 和另一个 Multics 研究员Ken Thompson 联手打造新的操作系统叫 Unix。
他们想把操作系统分成两部分
首先是操作系统的核心功能如内存管理多任务和输入/输出处理这叫内核。
第二部分是一堆有用的工具但它们不是内核的一部分比如程序和运行库紧凑的内核意味着功能没有那么全面。
Multics 的另一个开发者 Tom Van Vleck 回忆说我对 Dennis 说我在 Multics 写的一半代码都是错误恢复代码。他说:Unix 不会有这些东西如果有错误发生我们就让内核恐慌panic当调用它时机器会崩溃你得在走廊里大喊嘿重启电脑。 你可能听过 内核恐慌kernel panic这就是这个词的来源内核如果崩溃没有办法恢复所以调用一个叫恐慌panic的函数起初只是打印恐慌一词然后无限循环。
这种简单性意味着Unix 可以在更便宜更多的硬件上运行使 Unix 在 Dennis 和 Ken 工作的贝尔实验室大受欢迎。
越来越多开发人员用 Unix 写程序和运行程序工具数量日益增长。
1971 年发布后不久就有人写了不同编程语言的编译器甚至文字处理器使得 Unix 迅速成为1970~80年代最流行的操作系统之一。
到 1980 年代早期计算机的价格降到普通人买得起这些叫个人电脑或家庭电脑这些电脑比大型主机简单得多主机一般在大学公司和政府因此操作系统也得简单。
举例微软的磁盘操作系统MS-DOS只有 160 kB一张磁盘就可以容纳于 1981 年发布成为早期家用电脑最受欢迎的操作系统虽然缺少多任务和保护内存这样功能意味着程序经常使系统崩溃虽然很讨厌但还可以接受因为用户可以重启。 哪怕是微软 1985 年发布的早期 Windows虽然在 90 年代很流行但却缺乏内存保护当程序行为不当时就会蓝屏代表程序崩溃的非常严重把系统也带崩溃了。 幸运的是新版Windows有更好的保护不会经常崩溃。
如今的计算机 有现代操作系统比如 Mac OS XWindows 10 NLinuxiOS和Android。
操作系统依然有多任务, 虚拟内存, 内存保护因此可以同时运行多个程序一边在浏览器看 YouTube一边在 Photoshop 修图用 Spotify 放音乐同步 Dropbox。
如果没有操作系统这几十年的发展这些都不可能,当然我们也需要地方放程序下节课会讨论。 以上内容就是 18. 操作系统 的内容感兴趣的同学记得点赞、关注、转发、收藏哦
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