操作系统学习（一）—— 操作系统结构

对于以后的工作，操作系统的学习必不可少。这次我学习的来源为浙江大学的操作系统课程，由李善平老师主讲，链接发送到下面，有需要的同学请自取。

http://www.icourses.cn/coursestatic/course_6801.html

我会在我的博客下面记录课堂上的关键内容，并且附加一些自己的思考。

第一部分 操作系统结构

俯视OS

• 操作系统做什么的
• 硬件系统的组成
• 计算机系统的体系结构
• 现代操作系统的特征
• 操作系统的服务类别
• 系统调用
• 操作系统结构

操作系统做什么的

定义：操作系统是一个程序，起到了连接计算机用户和计算机硬件的中介。

• 使用户方便地使用计算机
• 使计算机硬件高效率运行

硬件系统的组成

如图所示的硬件设施

• 一个或数个CPUs，加上一些设备控制器，通过内部总线连接在一起。它们共享内存。
• 这些CPUs和设备并行执行，并且竞争使用内存的访问周期。

操作系统结构.png

上图是普通PC机的体系结构。CPU是机器的核心，与下面的memory由总线连接。总线连接有三类：

• 地址总线。
• 数据总线。
• 控制信号。

计算机系统的体系结构

计算机系统从下层到上层共有4层

• 硬件 —— 提供基本的计算资源
  CPU，内存，I/O设备等
• 操作系统
• 应用程序
• 用户

计算机系统的4个层次

计算机系统的4个层次.png

由图我们可见：

• 硬件是最底层。完全被操作系统所包裹，上层的系统软件，应用软件无法直接和硬件直接打交道。用户无法直接操纵硬件。提供基本资源。
• 上面一层就是操作系统。必须通过操作系统调用硬件，提供对硬件的管理。
• 再往上为系统软件和应用软件。
• 顶层为用户。上面两层的划分并没有那么严格。

★★重点：现代操作系统的特征

多程序，Multiprogramming

任何一个用户程序的操作，都必须由CPU执行指令，I/O作输入输出。两者缺一不可。

问题：

对用户程序来讲，当CPU提供指令，I/O一般停止。而I/O作输入输出时，CPU需要等待I/O完成，后面指令无法执行。而操作系统追求设备高效率使用，如果两者必须有一方停止工作，则非常影响CPU的效率。

想法：

在计算机内存空间里装两道程序。当一个程序不用CPU只用I/O的时候，启动另一个程序，使其使用CPU，完成对CPU效率的提高。理想情况下，CPU一直在使用。

引入多程序的概念：

有两道以上程序可以驻留内存（给了CPU即可运行，即操作系统正在处理的程序），可以支持这种状态的可称之为——多程序（Multiprogramming）。

• 这样使得我们可以使用作业调度器。每次选择一个作业，交于CPU执行。
• 当这个作业被迫等待时（例如有I/O操作），CPU转向另一个作业。

多程序系统内部布局

多程序系统内部布局.png

多任务（Multitasking），分时系统（Timesharing）

概念：

扩展了多程序思想。多程序强调多个程序驻留内存，当需要执行的时候，将程序交于CPU处理即可。而现在则要求CPU更快速地在作业之间切换。这样，作业总是能及时地得到CPU，响应用户的交互操作，这称之为交互式计算。

• 响应时间（Response time）必须在1秒之内。
• 每个用户至少有一道作业在内存中执行，由此产生了进程。
• 如果存在两个以上的进程等待CPU执行，则需要CPU调度。
• 如果内存空间装不下进程，则需要换入，换出从操作。
• 虚拟内存管理技术，使得小内存也能运行大进程。

操作系统若干操作特征

• 中断驱动的硬件操作
• 软件申请，软件操作错误等，将产生异常，或陷入
• 面临
• “无限循环”问题
• 进程干扰其他进城问题
• 进程干扰OS问题
• 等等
  （对于上面这些名词先熟悉了解，有个印象）
• CPU提供Dual-mode机制，实现OS自我保护
  CPU的Mode bit=1，变为内核态，用户程序无论如何无法访问CPU。

操作系统的服务类别

一类服务直接帮助用户

• 用户界面（UI）—常见UI类别：
  1.Command-Line（CLI）
  2.Graphics User Interface（GUI）
  3.批处理（Batch）

• 程序执行 — 使OS能够装入程序到内存，执行驻留内存的程序，结束程序的执行，以及出错时的异常处理。

• I/O操作

• 文件系统相关操作

• 进程间通信
  1.通过共享内存实现通信
  2.通过消息传递实现通信

• 出错检测 - OS必须随时应对系统出错
  1.出错可能由硬件引起，如CPU，内存，I/O设备
  2.对于各种出错，OS必须有合适的处理程序
  3.OS应该提供调试，查错工具。

另一类服务确保系统共享资源的高效运作

• 资源分配
• 记账 — 跟踪记录哪些用户使用了多少资源，使用了哪些资源
• 保护和安全

系统调用

操作系统编程界面

• 通常用高级语言（C/C++）实现
• 程序通常以Application Program Interface（API）使用，而不是直接使用系统调用。
• 3大流行API：WIN32 API,POSIX API,JAVA API。

API-System Call-OS之间的关联

API-System Call-OS之间的关联.png

由图可见，用户使用Open（）函数产生翻转，CPU Mode Bit=1，进入内核态，产生真正的系统调用。在系统内部再次使用Open（）函数，产生真正的open动作。最后返回指令return跳回到用户态（即open（）代码），再用一个return函数得到相应的结果。

操作系统结构

简单结构

MS-DOS层次结构.png

• 以MS-DOS为代表，占用极小的内存空间，提供大部分OS功能。
• 不区分模块，有一些数据结构，但是并没有很好地分离界面，层次化组织OS功能。

层次化方法，以UNIX为例

UNIX层次.png

微内核结构

• 将OS的功能模块转移至用户态空间
• 剩下的，就是微内核
• 这种做法容易升级，移植OS至不同类型CPU，体系结构。但是用户态空间与内核态空间之间的通信频繁，性能开销大。（即）

模块

现代操作系统要求我们必须可以动态地装入和卸载，即可以将一个程序块动态装入，拼接上去。

总结：

第一节课主要讲述了一些概念性的东西，很多东西只是提了一些名词，如进程等，需要在接下来的课程里详细的研究相关名词的含义。