計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述
計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的整體,其核心目標(biāo)是執(zhí)行程序。一個(gè)完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分構(gòu)成。硬件系統(tǒng)包括中央處理器、內(nèi)存、輸入/輸出設(shè)備以及各類總線,它們提供了計(jì)算和存儲(chǔ)的物理基礎(chǔ)。軟件系統(tǒng)則指揮硬件工作,其中最為核心和基礎(chǔ)的軟件就是操作系統(tǒng)。操作系統(tǒng)作為用戶與計(jì)算機(jī)硬件之間的接口,管理者計(jì)算機(jī)的所有資源(如CPU、內(nèi)存、磁盤、外設(shè)),并為應(yīng)用程序的運(yùn)行提供支持環(huán)境。沒(méi)有操作系統(tǒng),用戶將不得不直接面對(duì)繁瑣且不友好的機(jī)器指令,應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)與運(yùn)行也將變得異常困難。
操作系統(tǒng)引導(dǎo)與BIOS
計(jì)算機(jī)啟動(dòng)時(shí),硬件并不能自動(dòng)加載操作系統(tǒng)。這個(gè)過(guò)程需要一系列精確的、自下而上的引導(dǎo)步驟。其起點(diǎn)就是BIOS。
- BIOS(基本輸入輸出系統(tǒng)):它是固化在主板ROM芯片上的一段小程序,是計(jì)算機(jī)啟動(dòng)后第一個(gè)運(yùn)行的軟件。其主要功能包括:
- 上電自檢:檢查CPU、內(nèi)存、硬盤、鍵盤等關(guān)鍵硬件是否正常工作。
- 初始化硬件:配置即插即用設(shè)備,并為其分配中斷、DMA通道和I/O端口等資源。
- 引導(dǎo)加載:按照預(yù)設(shè)的順序(如硬盤、U盤、光盤)尋找可啟動(dòng)的設(shè)備。找到后,讀取該設(shè)備第一個(gè)扇區(qū)(主引導(dǎo)記錄,MBR)的內(nèi)容到內(nèi)存。
- 引導(dǎo)過(guò)程:BIOS將控制權(quán)交給MBR中的引導(dǎo)程序(如GRUB、Windows Boot Manager)。該引導(dǎo)程序負(fù)責(zé)定位磁盤上的操作系統(tǒng)內(nèi)核文件,將其加載到內(nèi)存,并最終將計(jì)算機(jī)的控制權(quán)轉(zhuǎn)交給操作系統(tǒng)內(nèi)核。內(nèi)核隨后初始化自身,加載必要的驅(qū)動(dòng),并啟動(dòng)第一個(gè)用戶態(tài)進(jìn)程(如Unix/Linux的init或systemd,Windows的會(huì)話管理器),至此,操作系統(tǒng)完成引導(dǎo),用戶可以開(kāi)始使用。
虛擬機(jī)的角色
虛擬機(jī)技術(shù)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)領(lǐng)域的一項(xiàng)重大創(chuàng)新。它通過(guò)軟件模擬出一個(gè)具有完整硬件系統(tǒng)功能的、運(yùn)行在一個(gè)完全隔離環(huán)境中的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。在操作系統(tǒng)層面,我們主要討論系統(tǒng)虛擬機(jī)。
- 核心概念:虛擬機(jī)監(jiān)控器,也稱Hypervisor,是創(chuàng)建和運(yùn)行虛擬機(jī)的軟件。它直接運(yùn)行在物理硬件之上(Type-1,如VMware ESXi、微軟Hyper-V),或運(yùn)行在一個(gè)宿主機(jī)操作系統(tǒng)之上(Type-2,如VMware Workstation、Oracle VirtualBox)。Hypervisor負(fù)責(zé)將物理資源(CPU、內(nèi)存、磁盤、網(wǎng)絡(luò))抽象、分割和調(diào)度給上層的多個(gè)客戶操作系統(tǒng)。
- 與操作系統(tǒng)的關(guān)系:
- 資源的擴(kuò)展與隔離:虛擬機(jī)允許在一臺(tái)物理機(jī)上同時(shí)運(yùn)行多個(gè)獨(dú)立的操作系統(tǒng)實(shí)例,每個(gè)實(shí)例都認(rèn)為自己獨(dú)占硬件資源。這極大地提高了硬件利用率,并實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用和系統(tǒng)環(huán)境的強(qiáng)隔離,便于測(cè)試、部署和遷移。
- 操作系統(tǒng)的“用戶”:對(duì)于Type-2 Hypervisor,客戶操作系統(tǒng)就像運(yùn)行在宿主機(jī)OS上的一個(gè)特殊應(yīng)用程序。而對(duì)于Type-1 Hypervisor,它本身就是一個(gè)極為精簡(jiǎn)、專門為虛擬化優(yōu)化的“操作系統(tǒng)”,客戶OS則運(yùn)行在它之上。
- 硬件抽象層的延伸:傳統(tǒng)操作系統(tǒng)通過(guò)驅(qū)動(dòng)程序抽象物理硬件。虛擬機(jī)技術(shù)在此基礎(chǔ)上,又增加了一層虛擬硬件抽象層(虛擬CPU、虛擬內(nèi)存、虛擬網(wǎng)卡等),使得客戶OS無(wú)需修改就能運(yùn)行在多樣的物理平臺(tái)之上。
計(jì)算機(jī)系統(tǒng)服務(wù)
操作系統(tǒng)在啟動(dòng)后,會(huì)提供一系列持續(xù)運(yùn)行的核心功能,即系統(tǒng)服務(wù)。這些服務(wù)是操作系統(tǒng)內(nèi)核或特權(quán)進(jìn)程提供的,用以支持上層應(yīng)用程序和用戶操作。
- 核心管理服務(wù):
- 進(jìn)程管理:創(chuàng)建、調(diào)度、執(zhí)行、終止進(jìn)程,并提供進(jìn)程間通信機(jī)制。
- 內(nèi)存管理:為進(jìn)程分配和回收內(nèi)存空間,實(shí)現(xiàn)虛擬內(nèi)存、內(nèi)存保護(hù)和共享。
- 文件系統(tǒng)管理:提供對(duì)磁盤數(shù)據(jù)的持久化、結(jié)構(gòu)化存儲(chǔ),實(shí)現(xiàn)文件的創(chuàng)建、讀寫、刪除和權(quán)限控制。
- 設(shè)備管理:通過(guò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序,統(tǒng)一管理和控制所有I/O設(shè)備,為用戶和應(yīng)用程序提供簡(jiǎn)潔的設(shè)備訪問(wèn)接口。
- 網(wǎng)絡(luò)與通信服務(wù):實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧(如TCP/IP),管理網(wǎng)絡(luò)接口,提供進(jìn)程間跨網(wǎng)絡(luò)的通信能力。
- 安全與審計(jì)服務(wù):包括用戶身份認(rèn)證、訪問(wèn)權(quán)限控制、安全審計(jì)日志、防火墻等,保護(hù)系統(tǒng)免受未授權(quán)訪問(wèn)和破壞。
- 用戶接口服務(wù):提供命令行界面或圖形用戶界面,使用戶能夠方便地與系統(tǒng)交互。
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從按下電源鍵開(kāi)始,BIOS執(zhí)行初始硬件檢查和引導(dǎo),將控制權(quán)逐步移交至操作系統(tǒng)內(nèi)核。操作系統(tǒng)作為整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的“大管家”,通過(guò)其內(nèi)核和系統(tǒng)服務(wù),高效、公平、安全地管理著所有硬件與軟件資源。而虛擬機(jī)技術(shù)的出現(xiàn),則將單臺(tái)物理機(jī)的資源進(jìn)行了邏輯上的倍增和隔離,使得操作系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境變得更加靈活和彈性。理解從硬件引導(dǎo)到操作系統(tǒng)服務(wù),再到虛擬化這一完整鏈條,是掌握現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)工作原理的基石。