• 第一章 计算机系统概述

  • 操作系统基本概念

    • 操作系统的概念

    • 操作系统特征

      • 并发
      • 共享
      • 虚拟
      • 异步

    • 操作系统的目标和功能

  • 操作系统发展历程

    • 手工操作
    • 批处理
    • 分时操作系统
    • 实时操作系统
    • 网络操作系统和分布式操作系统
    • 个人计算机操作系统

  • 操作系统运行环境

    • 处理器运行模式

      • 用户态
      • 核心态

    • 指令

    • 内核的概念

      • 时钟管理
      • 中断机制
      • 原语
      • 系统控制的数据结构及处理

    • 中断和异常的概念

    • 系统调用

  • 操作系统结构

    • 分层法
    • 模块化
    • 微内核
    • 外核

  • 操作系统引导

  • 虚拟机

    • 第一类虚拟机管理程序
    • 第二类虚拟机管理程序

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操作系统基本概念

操作系统的概念

• 最基本系统软件
• 控制管理计算机系统的软硬件资源
• 为用户和其他软件提供接口与环境的程序集合

操作系统特征

• 并发和共享是最基本的两个性质
• 并发和共享互为存在条件
• 没有并发和共享就没有虚拟和异步

1. 并发

   两个或多个事件在同一时间段发生

   利用 I/O 操作的间隔时间交替调度运行，保持 cpu 忙碌状态

   注意与并行的差异

2. 共享

   系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程共同使用

   • 互斥共享方式

     A 用完 B 才可用，如程序对摄像头权限的调用，打印机打印文件

   • 同时共享方式

     A 使用到一半时暂停使用，此时 B 可使用

3. 虚拟

   将物理实体虚拟为多个逻辑上的虚拟物理实体

   • 时分复用技术

     如虚拟处理器，使得多个用户的任务能够在同一时段并发运行，每个用户都感觉存在专门的 cpu 为其服务

   • 空分服用技术

     利用存储器的空闲空间分区域存放和运行其他的多道程序，以此来提高内存的利用率

4. 异步

   一个任务启动后，程序可以继续执行其他任务，而不需要等待该任务的结果

   例如当客户端发送给服务端请求时，在等待服务端响应的过程中，客户端可以做其他事，节约时间，提高效率

操作系统的目标和功能

作为计算机系统资源的管理者

1. 处理机管理

   • 处理机的分配和运行都以进程为基本单位，处理机管理=进程管理

   • 主要功能：进程控制 + 进程同步 + 进程通信 + 死锁处理 + 处理机调度

2. 存储器管理

   • 为了给多道程序的运行提供良好的环境，方便用户使用及提高内存的利用率
   • 主要功能：内存分配与回收 + 地址映射 + 内存保护 + 共享和内存扩充

3. 文件管理

   • 计算机的信息都是以文件的形式存在的
   • 主要功能：文件存储空间的管理 + 目录管理 + 文件读写管理和保护

4. 设备管理

   • 完成用户的 I/O 请求，方便用户使用各种设备，提高设备利用率
   • 主要功能：缓冲管理 + 设备分配 + 设备处理 + 虚拟设备

作为用户和计算机硬件系统之间的接口

• 命令接口（提供给用户）

  • 联机命令接口

    又称交互式控制接口，例如 linux 服务器的 shell 控制台

  • 脱机命令接口

    又称批处理命令接口，由一组作业控制命令组成，用户不能直接干预程序运行，只能使用作业控制命令编写一组命令，提交给操作系统，操作系统再逐条执行

• 程序接口（提供给程序员）

  由一组系统调用组成，用户通过程序中使用这些系统调用来请求操作系统为其提供服务，系统调用是操作系统的一部分

  另外，还有图形接口（GUI），图形接口通过点击直观的按钮来使用系统调用命令，图形接口不是操作系统的一部分，但其调用的命令是

实现了对计算机资源的扩充

• 裸机：没有任何软件支持的计算机
• 扩充机器/虚拟机：覆盖了软件的机器

操作系统发展历程

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操作系统运行环境

处理器运行模式

运行模式可以划分为用户态（目态）和核心态（管态、内核态）

cpu 的状态保存在 cpu 内部的一个寄存器中——程序状态字（PSW）寄存器，其中 1 表示内核态，0 表示用户态

• 核心​态

  • 时钟管理相关指令
  • 中断机制相关指令
  • 原语相关指令
  • 系统控制的数据结构与处理（进程调度程序、进程切换）

• 用户态

  • 命令解释程序
  • 系统调用
  • 外部中断

如何变态：

• 核心态——> 用户态，发生在中断返回用户程序时，使用修改 PSW 的特权指令
• 用户态——> 核心态，发生在中断时，通过硬件完成

指令

指令是机器语言，是 CPU 能直接看懂并执行操作的

• 特权指令

  不允许用户直接使用的指令，如：置/关中断、清内存、置时钟、访问程序状态、存取特殊寄存器、修改 PSW 寄存器

• 非特权指令

  用户可以直接使用的指令，不能直接访问系统的软硬件资源，防止用户造成破坏

cpu 执行两种不同性质的程序：

• 操作系统内核程序（可以使用特权指令）
• 用户自编程序（不能使用特权指令）

前者是后者的管理者

内核的概念

操作系统包含了内核，内核是计算机上配置的最底层软件，是连接应用程序和硬件的桥梁，由两部分内容构成：

• 与硬件关联紧密的模块（硬件抽象层）
• 运行频率较高的程序

大多数操作系统的内核包含四个内容：

• 时钟管理

  • 向用户提供标准系统时间
  • 分时操作系统的时间片轮转调度
  • 实时操作系统的按截止时间控制运行
  • 批处理系统衡量作业的运行程度

• 中断机制

  中断机制中只有一小部分属于内核

  保护和回复中断现场的信息，转移控制权到中断处理程序

• 原语

  • 由若干条指令构成
  • 处于操作系统底层，最接近硬件
  • 操作只能一气呵成不能中断
  • 运行时间短且调用频繁
  • 原语的作用主要是为了实现进程的通信和控制

• 系统控制的数据结构及处理

  • 进程管理
  • 存储器管理
  • 设备管理

中断和异常的概念

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• 中断（外中断）

  由 CPU 外部设备发出的请求，是与当前正在执行的指令无关的异步事件，也不阻止任何指令完成

  执行时间：CPU 每执行完一条指令即检查中断请求信号线，检测到则进入中断响应期

  • 可屏蔽中断

    INTR 线发出的，CPU 可以根据其优先级接受或忽略的中断，如打印机中断

  • 不可屏蔽中断

    通过 NMI 线发出的，紧急硬件故障，如电源掉电

• 异常（内中断）

  CPU 执行指令时，CPU 自身检测到的与正在执行的指令相关的同步事件，不可屏蔽

  执行时间：执行指令时检查

  • 故障

    指令启动后，结束前检测到的异常事件，通常可以被故障处理程序修正

    非法操作码、缺页故障、除数为 0、运算溢出

  • 自陷（陷阱、陷入）

    预先安排的“异常事件”，用于在用户态调用操作系统内核程序，例如系统调用

  • 终止

    出现使 CPU 无法继续执行的硬件故障

系统调用

• 定义

  • 操作系统给应用程序和程序员提供的用于请求系统服务的接口
  • 使用系统调用需要触发自陷（trap/访管指令）
  • 操作系统通过提供系统调用避免用户直接访问硬件

• 按功能分类

  • 设备管理

    设备的请求或释放，设备启动

  • 文件管理

    文件读写创建删除

  • 进程控制

    进程创建、撤销、阻塞、唤醒

  • 进程通信

    进程之间信息传递或信号传递

  • 内存管理

    内存的分配、回收、获取作业占用内存大小及起始地址

• 调用过程

  1. 传参
  2. 自陷（执行系统调用），发生于用户态，此时进程进入阻塞态
  3. 操作系统内核处理系统调用请求，发生于内核态
  4. 返回应用

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操作系统结构

分层法

将操作系统分层，最底层为硬件，最顶层为用户接口，每层只能调用低一层的服务和功能（单向依赖）

• 优点

  1. 便于系统调试和验证——单向依赖
  2. 易于扩充和维护，不改变各层之间的接口则不会影响其它层

• 缺点

  1. 难以合理定义各层，固定依赖关系后不够灵活
  2. 效率较差，执行一个功能需要跨越多层，增加开销

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模块化

将操作系统按照功能划分为具有一定独立性的模块，并规定好各个模块之间的接口，还可以将模块再划分为子模块（模块——接口法）

模块独立性的衡量有两个标准：

• 内聚性：模块内各部分联系的紧密程度，越高独立性越好
• 耦合度：模块间相互联系影响程度，越低独立性越好

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• 优点

  1. 提高操作系统设计的正确性，可理解性和可维护性
  2. 增强操作系统的可适应性
  3. 加速操作系统开发过程

• 缺点

  1. 模块之间的接口规定难以满足实际需求
  2. 各模块同步开发难以确定统一基础，无法找到可靠决定顺序

宏内核

也称单内核或大内核。将系统的主要功能模块都作为一个紧密整体运行在核心态，各管理模块共享信息，具有性能优势

⭐微内核

• 定义

  只把核心功能放入内核，其余功能以用户进程的形式运行在用户态，借助微内核进行通信，即采用客户/服务器模式

  1. 与硬件处理联系紧密的部分
  2. 一组关键原语，仅包括建立一个系统必需的几个部分
  3. 客户与服务器之间的通信

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• 基本功能

  微内核结构利用“机制/策略分离”原理，机制和与硬件紧密的部分放入内核

  • 进程管理

    • 进程通信
    • 进程切换
    • 进程调度
    • 多处理机同步

    其余内容如用户进程分类、优先级确认方式等都属于策略

  • 低级存储器管理

    如逻辑地址转换为物理地址，页表机制，地址变换机制，依赖硬件因此属于微内核

    实现虚拟存储器管理、应使用的页面置换算法、内存分配与回收的策略应放于内核外

  • 中断和自陷处理

    捕获中断和自陷，并进行中断响应处理，识别后发送给对应服务器处理

• 特点

  1. 扩展性和灵活性

     增改功能只需要增改相应服务器，无需改动内核

  2. 可靠性和安全性

     只有微内核处于内核态，处于用户态的模块错误只会导致模块崩溃，而不会使得内核崩溃

  3. 可移植性

     移植平台时只需要改动与 CPU 和 I/O 硬件有关的微内核代码，其余服务器代码与硬件平台无关

  4. 分布式计算

     采用客户/服务器模式，可以很好支持分布式系统和网络系统

  由于微内核的高度可靠性，常用于实时、工业、航空、军事领域

• 问题

  主要为性能问题，需要频繁进行内核态与用户态的切换

外核

内核态程序，为虚拟机分配资源以及检查并确保虚拟机资源不发生冲突

减少了资源的映射层，资源的管理由外核处理，外核记录已分配的各个虚拟机资源

将外核内的多道程序与用户操作系统代码分离

操作系统引导

操作系统引导是指计算机利用 CPU 运行特定程序，通过程序识别硬盘，识别硬盘分区，识别硬盘分区上的操作系统，最后通过程序启动操作系统，一环扣一环地完成上述过程

• 引导过程

  1. 激活 CPU

     • 读取 boot 程序，开始执行 BIOS 指令

  2. 硬件自检

     1. BIOS 构建中断向量表
     2. 通电自检

  3. 加载带操作系统硬盘

     1. BIOS 读取硬盘启动顺序，或与用户交互
     2. CPU 将该存储设备引导扇区加载到**内存**

  4. 加载引导扇区中的​MBR 主引导记录

     • MBR 记录了硬盘分区表和磁盘引导程序

  5. 扫描硬盘分区表，加载活动分区（C 盘）

  6. 加载 PBR 分区引导记录

     • 将活动分区的第一个扇区 PBR 加载到​内存
     • 寻找活动分区根目录下的启动管理器

  7. 加载启动管理器

  8. 加载操作系统

     • 将操作系统初始化程序加载到**内存**中执行

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虚拟机

利用虚拟化技术将一台物理机虚拟化为多台虚拟机

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