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操作系统是管理计算机硬件与软件资源的计算机程序，同时也是计算机系统的内核与基石。操作系统需要处理如管理与配置内存、决定系统资源供需的优先次序、控制输入设备与输出设备、操作网络与管理文件系统等基本事务。操作系统也提供一个让用户与系统交互的操作界面。

帮我们管理好计算机硬件，我们可以通过操作系统友好的使用计算机。

操作系统分类

操作系统体系结构划分：
(1)简单体系结构。例如ucos系列、FreeRTOS、SylixOS、VxWorks(基本级)。特点：用户层与内核层在一个地址空间中。不使用或有限使用虚拟内存。
(2)单体内核(宏内核)。例如,Linux、Unix、Windows、MacOS。特点：操作系统的进程管理、内存管理、设备驱动、文件系统、网络协议栈等都在一个地址空间中，内核十分巨大。
(3)微内核。例如：QNX。特点：内核只保留进程进程管理、内存管理等内核组成模块，将设备驱动、文件系统、网络协议栈编程进程的方式运行，就是一个字：小。

微内核VS宏内核：
(1)系统可靠性：微内核只保留了最基本的内核组成模块，一旦像设备驱动、文件系统异常，不会影响内核运行；而宏内核中，例如你编写了驱动有bug，那整个系统基本都能挂掉了。微内核胜出。
(2)系统性能：宏内核中所有内核组成模块在一个地址空间，模块与模块间通信不涉及内存地址空间的切换，所以速度快；但微内核以像消息队列的方式，完成内核和网络协议栈、设备驱动等模块的通信，这其中涉及内存地址空间的切换，必然形象速度。宏内核胜出。

其实，微内核和宏内核都各有优势，在一个具体的操作系统设计时，会吸取各自的长处；例如，linux是宏内核，但其借鉴了微内核的设计思路，将内核模块引入操作系统中，可以在系统运行过程中，加载或卸载设备驱动等内核组成部分。

按实时性划分：
(1)实时系统。
<1>强实时系统。在指定时间内，一定完成该项任务。例如:VxWorks、SylixOS、QNX等。
<2>弱(软)实时系统。在指定时间内，尽量完成该任务。例如:增加实时性的linux系统。

(2)非实时系统。例如，windows。
影响实时性的几个因素：
(1)中断设计。一般芯片或者操作系统不会配置为中断可嵌套模式，所以CPU进入中断后，除非执行完毕中断处理程序才能执行其他任务。这是一个很重要的指标，我之前你看过linux的部分网络设备驱动程序，有的在中断中记录事件，利用系统提供的网络软中断模式(此时，已经退出中断模式，cpu可以继续响应中断了)进行数据的处理，但有的驱动在中断里进行数据处理，如果cpu正在中断中处理网络数据，但此时来了一紧急中断，那只能等了。
(2)内存管理。有了虚拟内存后，应用层进入内核，内核会应用层，必然消耗大量时间，影响指定时间内完成任务重要因素。
但是，不是你使用了强实时系统，你的设备就能保证强实时的要求，例如你写一个驱动，在中断中完成任务，那因为你的驱动而响应整个系统的实时性。
这么多种操作系统，我们该如何选择呢?

(1)实时性要求极高的系统。可以使用商业的VxWorks和SylixOS，商业的是要收费的，而且VxWorks是美国红河公司的，技术支持的难度可想而知；国产自主可控的SylixOS是一个很好的选择，只是起步晚，成功的案例正在逐步积累，被领域内所认可需要时间。对于非商业的，可以使用FreeRTOS,开源免费的，目前是商业免费的。
(2)任务要求多、功能复杂等的只能选择像linux这样的系统了。基本可以认为，计算机能完成什么样的功能，使用linux的嵌入式系统也能完成；当然要求你的芯片对性能是否有影响。

Linux内核组成部分

linux内核由7部分组成:系统调用接口、进程管理、内存管理、虚拟文件系统、网络协议栈、处理器体系相关部分、设备驱动。

(1)系统调用接口(SCI)。
内核为应用层提供的使用内核的接口，应用层可以通过系统调用接口，向内核申请服务。
SCI与API有何区别。SCI为系统调用接口，API为应用程序调用接口；应用程序使用API完成既定任务，一个API可以调用一个SCI函数、可以调用多个SCI函数、也可以不调用SCI函数(例如，数据计算库中的数值计算API接口)。

(2)进程管理。
进程是操作系统资源分配的基本单元，进程管理负责对进程的CPU使用、内存使用、IO使用的管理工作。

进程与线程。线程是操作系统调度的最小单位，线程建立在进程之内，一个进程包含至少1个线程；1个线程就是1任务执行过程，例如，线程1让led1灯以5Hz频率闪烁、线程2让led2灯以9Hz频率闪烁，就可以建立2个线程，线程1睡眠100ms点亮led1、睡眠100ms熄灭led1，线程2睡眠125ms点亮led2、睡眠125ms熄灭led2。进程为其上运行的线程同系统资源，例如内存、IO等。

多进程与多线程程序设计模式。通常来说，程序设计为多线程模式，可以提高系统的性能，在同一进程里的多个线程，使用想用的进程地址空间，同一进程上的线程切换不会更换页表(每个进程有自己独立的页表、彼此相同，页表切换会消耗大量时间)。多进程间切换虽然消化大量时间，但程序的可靠性好，在多线程模式中，一个线程异常，操作系统会改掉该线程所处的进程，同处该进程的其他线程也都停止服务了；但多进程模式，单个进程的异常被干掉了，其他进程可以继续提供服务。

进程和程序。进程是运行中的程序，是程序被执行时的状态。一个进程可以执行多个程序，一个程序可以被同时执行多次。

(3)内存管理。
内存是整个计算机系统中的核心，内存管理不好产生内存泄漏，系统会出各种意想不到的bug。

内部碎片和外部碎片。内部碎片就是你要申请100字节内存，系统给你分配了120字节内存，这20字节就成内部碎片了，不能被使用；外部碎片就是当前130字节空闲区域，这130字节之后是200字节已经被占用的内存，你申请100字节内存，系统将130字节内存中100字节给你了，你在申请100字节内存，上次剩下的30字节就不能用了，就是外部碎片，只能向后继续寻找看看有没有100字节空间给你。

如果系统运行了一段时间后，遍布这种小的外部碎片，例如有100个30字节的外部碎片，但你想申请100字节空间，但从剩余容量100*30=3000字节总容量是够得，但系统无法分配到连续的100字节空间给你，内存申请失败，这就叫内存泄漏。

linux使用的是伙伴系统(大块内存分配)和slab(小块内存分配)技术来降低内存内部碎片、避免内存外部碎片。

(4)虚拟文件系统。
虚拟文件系统使得“一切皆文件”的哲学思想在linux上成为了现实（推荐阅读《Linux/Unix设计思想》，人民邮电出版社出版。其中，给出“小既是美”、“三个系统”、“沉默是金”等Linux/Unix设计哲学思想）。 
虚拟文件系统，为用户提供统一的系统调用接口，例如:open、read、write等，用户在应用层不需关注是什么类型的设备，采用统一的处理函数，每种设备的差异隐藏在虚拟文件系统之下。

(5)网络协议栈。
linux之所以强大，其健壮的网络协议栈出了很大力。从服务器开始、向下经过各级路由器、到我们的中断手机(安卓手机)上，无不运行着linux的网络协议栈。本人有幸从socket层开始、向下经过传输层、网络层直达网络接口层，认真阅读了以太网驱动、无线网驱动，后面将尽我所能带大家来一场linux的网络协议栈之旅。

(6)处理器体系相关部分。
顾名思义，就是与cpu体系相关的，每种体系的处理器包含在一个目录下，例如包含x86体系的、ARM体系的、MIPS体系的等，此核心源代码所支持的硬件体系结构相关的核心代码。

(7)设备驱动。
设备驱动的开发，是现在国内linux开发者主要做的工作，就是对自行定制的硬件编写linux驱动程序、添加到linux系统中，让用户可以使用该设备。

世间设备千奇百怪，但linux内核的设计着花了大量精力对设备进行抽象，将设备分为字符设备、块设备和网络设备；同时，为linux驱动开发工程师提供了platform虚拟总线的框架，将设备描述和设备驱动程序进行分离，更加利于驱动程序的移植性。

Linux内核预览

下面这样“linux kernel map”图片够震撼吧，但liunx远比这张图更震撼。不要被这样图吓到，我会尽我所能，逐步向上攀登，等我们浏览完内核的核心景区后，回头再看看这张图片，你会感觉“内核在此，而不至于此”。

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