1-1操作系统引论

操作系统的设计目标

1.方便性
提供用户接口，使计算机系统更方便的使用
2.有效性
通过有效管理和分配软、硬件资源及合理组织计算机工作流程来改善资源利用率、提高系统吞吐量
3.可扩充性
适应计算机硬件和体系结构的迅猛发展及其所对应的更高性能的更高的功能和性能要求
4.开放性
适应不同厂家与不同类型的计算机及其设备的网络化集成和协同工作，实现应用程序可移植性和互操作性（在windows系统上能运行和编辑放到linux系统上也一样能运行和编辑）

操作系统的作用

（1）用户与计算机硬件系统之间的接口

命令方式（操作系统外壳）

• 面向一般用户
• 命令行/菜单式/命令脚本式/图形用户接口
• 提供了用户使用计算机的便利方式

系统调用方式（操作系统内核）

• 面向程序开发人员
• 形式上类似于过程调用，编制程序中使用
• 程序访问操作系统服务的基本机制

（2）计算机系统资源的管理者

管理对象

• 处理器、存储器、外围设备以及信息（数据和软件）

管理内容

• 资源的分配、回收和访问操作

• 记录资源的当前状态（数量和使用情况）、会有一张表记录，相应管理策略（共享、保护及用户权限）

  （3） 用作扩充机器（或虚拟机）

  刚开始裸机功能不全面，效果不强大，装上操作系统后功能更为全面
  在裸机上添加处理机管理、存储管理、设备管理、文件管理、作业管理、图形化用户接口等功能，使计算机系统功能显著增强、使用更为方便

操作系统的组成及层次结构

• 用户接口:命令接口、程序接口、图形用户接口
• 操纵和管理有关对象的软件集合：处理机/存储器/设备/文件/作业管理软件
• 操作系统对象：处理机、存储器、设备、文件和作业

操作系统的定义及实例

  **定义**：操作系统是最基本（重要）的系统软件，是一组有效管理和控制计算机硬件和软件资源、合理地对各类作业进行调度以组织和控制系统工作流程，并方便用户使用计算机的程序的集合

操作系统实例

Android底层仍然是Linux系统 IOS是基于MAC OS

计算机系统组成及其体系结构

处理器、内存、接口、网卡、控制器、光盘、软盘、硬盘

内存系统 Memory Systems

所有的程序在运行的时候首先要装入到内存
主存 Main Memory

• 硬件的构成：RAM（只读存储器）ROM（随机访问存储器）
• 实际地址空间 real address space
  或称作物理地址空间，按字节编制Bytes
  RAM&ROM
  保留用于设备或以后它用
• 高速缓冲Cache Memories(存储可能访问的数据，增加速度)
  因内存寻址访问效率和局部性原理（时间局部性和空间局部性）而引入
  由硬件管理，对软件不可见
  输入输出系统

用户指令集体系结构 User ISA

寄存器架构

• 通用寄存器、特定类型寄存器（如浮点数）
• 专用寄存器（PC、链接/栈指针/条形码/循环计数存储器）

内存架构

• 逻辑/虚拟地址空间（指令）
  1. 线性编址 eg.0x0000 0000-0x8000 0000-0xFFFF FFFF
  2.分段编址 eg. 0#-15#分段基址-段寄存器值

用户指令——运算型

• 内存存取指令、分支跳转指令
• 整数算数、逻辑及移位指令
• 浮点指令

系统指令集体系结构及陷入机制

启动特权级别来对操作系统进行保护

系统指令集体系结构System ISA

系统寄存器架构（用户指令访问系统指令）

• 系统时钟寄存器、陷入与中断寄存器
• 陷入与中断屏蔽寄存器、页/段表指针寄存器

处理器资源管理支持

• 虚拟地址空间到物理地址空间的映射（页表&TLB）

I/O资源管理支持

• I/O设备寻址与I/O指令*（端口的访问指令输入和输出）

陷入与中断
陷入

• 指令执行时因异常情况（如运算溢出、缺页、违规内存访问、非法操作码等）产生的控制迁移副效应
• 陷入流程（异常-设置陷入寄存器-查看陷入屏蔽寄存器裁决-终止“陷入”指令并置处理器准确状态-保存程序计数及各寄存器值-处理器置特权模式并交操作系统控制权- 操作系统保存未被硬件保存的“陷入”进程的关键状态信息，经分析转特定异常陷入处理例程，待完成返回后恢复现场和转原“陷入”进程“异常”指令处继续执行）
• 另“系统调用”式陷入（访管指令 int 21H/int 0x80）

中断

• 由相对于当前执行进程的外部事件（如I/O操作、定时）引起。与特定指令执行无关

陷入和中断的处理方式相似

操作系统硬件基础举例说明

IA-32体系结构说明

系统寄存器架构

• 标志寄存器EFLAGS（通用标志、系统标志）
• 内存管理寄存器 GDTR、IDTR、LDTR、TR
• 控制寄存器CR0、CR1、CR2、CR3 、

保护模式内存管理

• 内存寻址（分段寻址技术）
• 地址变换（分段【段选择符->段描述符】+分页）
• 内存保护（全局/局部描述符表、特权级）

中断和异常处理
中断向量与中断描述符表、中断源与异常源

任务管理（任务状态段）

操作系统其它硬件基础举例说明