幾個作業系統的基本概念

Rice_rice發表於2024-05-07
作業系統

目錄
  • 四種常見檔案系統比較
  • MMU記憶體管理單元
  • Linux系統核心的作用
  • Linux系統目錄和windows系統目錄的區別

四種常見檔案系統比較

​ 四種常見的檔案系統分別為FAT16、FAT32、NTFS、ExFAT，儲存方式和特性各不相同。我們可以在電腦磁碟，隨身碟等檔案屬性看到歸屬的不同檔案系統。以隨身碟使用為例，不同檔案系統的主要因素還是其容量及用途，下面就簡單歸納總結下四種檔案系統的優劣：

  • FAT16：
    優點：相容性最好，某些數碼裝置可能對FAT32和NTFS格式的儲存卡支援不太好，因此只能使用FAT16。

    缺點：最大僅支援2GB分割槽，空間浪費大。

    適用場景：對於需要高相容性的小型儲存裝置，尤其是那些與較舊裝置或特殊裝置配合使用的場景。

  • FAT32：
    優點：相容性好，支援最大4GB的檔案和最大2TB的分割槽。

    缺點：單個檔案不能超過4GB，不支援512MB以下容量的隨身碟。

    適用場景：適用於個人使用者和小型裝置，尤其是那些不需要處理大於4GB檔案的場景。

  • NTFS：
    優點：相容性好，支援任意大小的隨身碟。提供長檔名、資料保護和恢復，能透過目錄和檔案許可實現安全性，並支援跨越分割槽。

    缺點：在某些情況下，可能會縮短快閃記憶體壽命。

    適用場景：適用於需要高階檔案管理和安全性的大型儲存裝置，尤其是與Windows系統配合使用的場景。

  • ExFAT：
    優點：專為快閃記憶體和隨身碟設計，空間浪費小。支援大於4GB的檔案和大於2TB的分割槽。

    缺點：在某些系統中，可能需要額外的驅動程式支援。

    適用場景：特別適用於快閃記憶體和隨身碟等移動裝置，因為它們需要處理大於4GB的檔案，並且希望最大化儲存空間的使用效率。

MMU記憶體管理單元

​ MMU（Memory Management Unit）記憶體管理單元是一種負責處理中央處理器（CPU）的記憶體訪問請求的計算機硬體，主要用來管理虛擬記憶體與實體記憶體的對映，由硬體自動完成。主要功能總結為以下四點：

  • 虛擬地址到實體地址的轉換（即虛擬記憶體管理）：

    ​ 根據實體記憶體和虛擬記憶體之間的對映關係，透過一定的演算法將虛擬地址轉換為實體地址。這個對映關係由作業系統在虛擬記憶體管理中進行設定和維護。

  • 記憶體保護：

    ​ 對實際的實體記憶體進行分割和保護，使得每個軟體任務只能訪問其分配到的記憶體空間。如果某個任務試圖訪問其他任務的記憶體空間，記憶體管理單元將自動產生異常，保護其他任務的程式和資料不受破壞。

  • 中央處理器快取記憶體的控制：

    ​ 在進行地址轉換時，會首先查詢快取記憶體（Cache），看是否命中。如果命中，可以直接從快取記憶體中獲取資料，避免了訪問記憶體的延遲。如果未命中，會發出對記憶體的訪問請求。

  • 匯流排的仲裁以及儲存體切換（bank switching）：

    ​ 在較為簡單的計算機體系結構中（例如小型微控制器），負責這些任務，尤其是在8位的系統上。

​ 此外，MMU還包含一個獨立的硬體模組——地址翻譯快取（TLB），用於快取最近使用過的地址對映，以加快地址轉換過程。當發生地址轉換時，MMU首先查詢TLB，如果找到了對應的對映，則可以提供快速的地址轉換。

​ MMU在作業系統中起著至關重要的作用，使得計算機可以更加高效地管理和使用記憶體資源。

Linux系統核心的作用

Linux系統核心的主要作用包括：

  1. 裝置控制：Linux核心負責管理計算機的各種硬體資源，如處理器、記憶體、硬碟、網路介面等，確保它們能夠協調工作並得到充分利用。
  2. 提供系統呼叫介面：核心為應用程式提供了系統呼叫介面，使應用程式能夠訪問硬體資源和執行特權指令，從而實現對系統資源的管理和控制。
  3. 記憶體管理：Linux核心透過虛擬記憶體管理機制，管理記憶體的分配和釋放，實現程序的地址空間隔離和虛擬記憶體的分頁機制。
  4. 檔案系統控制：Linux核心提供了對檔案系統的支援，實現檔案的讀寫、建立、刪除等操作，以及對檔案系統的管理和維護。
  5. 網路管理：Linux核心實現了網路協議棧，支援網路通訊和資料傳輸，包括TCP/IP協議棧、網路裝置驅動程式等。
  6. 程序管理：核心負責建立和銷燬程序, 並處理它們與外部世界的聯絡(輸入和輸出)，不同程序間通訊(透過訊號，管道，或者程序間通訊原語)對整個系統功能來說是基本的，也由核心處理。 另外， 排程器， 控制程序如何共享CPU，是程序管理的一部分。

​ Linux核心採用了模組化的結構，由許多模組組成，每個模組負責不同的功能，如程序管理、記憶體管理等。這種模組化設計使得核心具有更好的可擴充套件性和可維護性。總之，Linux系統核心是Linux作業系統的核心組成部分，它負責管理和控制計算機的硬體和軟體資源，為應用程式提供執行環境，使得整個系統能夠高效、穩定地執行。

Linux系統目錄和windows系統目錄的區別

Linux系統目錄和Windows系統目錄在多個方面存在顯著的區別，主要包括以下幾個方面：

  1. 檔案系統結構
    • Linux：採用級層式的樹狀目錄結構，其中最上層是根目錄“/”。一切皆檔案，所有的目錄、檔案、裝置都位於根目錄之下。
    • Windows：雖然也採用樹型結構來組織檔案，但它是基於磁碟機代號（如C:\、D:\等）來表示不同的分割槽或驅動器，每個分割槽或驅動器都有自己的目錄結構。
  2. 目錄和資料夾
    • Linux：目錄和資料夾在Linux中實際上是同一個概念，用於組織和管理檔案。
    • Windows：資料夾是Windows中用於組織和管理檔案的基本單位。
  3. 路徑分隔符
    • Linux：使用正斜槓（/）作為路徑分隔符。
    • Windows：使用反斜槓（\）作為路徑分隔符。
  4. 系統目錄
    • Linux：系統檔案和目錄通常位於特定的目錄下，如/bin、/etc、/usr等。這些目錄在檔案系統層次結構中佔據重要的位置，幷包含作業系統正常執行所需的關鍵檔案和目錄。
    • Windows：系統檔案和目錄通常位於“Windows”資料夾下，如“System32”資料夾包含Windows的系統檔案和硬體驅動程式。
  5. 訪問原理
    • Linux：系統透過唯一的虛擬檔案系統（樹狀結構）來訪問檔案。各個硬碟的分割槽會被掛載到這個虛擬檔案系統的某個子樹上。
    • Windows：透過“某個硬碟-硬碟上的某個分割槽-分割槽上的特定檔案系統-特定檔案系統中的檔案”這樣的順序來訪問檔案。

​ Linux系統和Windows系統最重要的區別之一在於目錄，反映了兩種作業系統在設計和功能上的不同。Linux系統中，一切皆檔案，目錄（directory）也是一個“特殊的檔案”，它記錄檔案在儲存中的位置（透過 inode），這就涉及到硬連結的知識。區別於windows的資料夾（folder），是將檔案“放入其中”，是透過檔案系統的層次結構（如磁碟機代號、資料夾和檔案路徑）來定位和管理檔案。

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