Linux内核分析：（一）操作系统概念

一、 处理机状态及特权指令

处理机状态：

• 核态：Kernel Mode, CPU运行操作系统程序时；
• 管态：Supervisor Mode, 不能修改CPU状态；
• 用户态：User Mode, 不能直接使用系统资源，并且只能访问用户程序所在的存储空间。

特权指令：

核态可以使用所有指令：

• 允许和禁止中断；
• 进程间切换处理机；
• 存取用于内存保护的寄存器；
• I/O操作；
• 暂停CPU。

下列情况下，用户态->核态：

• 用户程序要求操作系统服务，发生系统调用；
• 发生中断；
• 用户程序产生了错误；
• 用户程序企图执行一条特权指令。

核态->用户态：

• 这也是特权指令，一般是中断返回指令。

二、 操作系统发展：

1 手工操作

没有操作系统。用户直接操作，编程用机器语言，通过一些插板的硬连线控制。

2 批处理系统

（1）单道批处理系统：监控程序（软件）。用户：把程序、数据和对程序的控制意图写入卡片或磁带，以作业形式交给计算机操作员；操作员：把这些作业按顺序组织成一批，并将整批作业放在输入设备上，交给监控程序；监控程序：按顺序一个个作业调入内存执行，一直到这批作业处理完毕。特征：自动性、顺序性、单道性。

（2）多道程序系统：实现了资源管理，监控程序变成了操作系统。在内存中同时存放多个程序，它们都处于运行态。CPU和外设可以同时运行，大大提高了CPU利用率。特征：多道、宏观上并行、微观上串行。

（3）多道批处理系统：采用多道程序设计技术，这样CPU和外设可以同时运行。特征：多道、无序性、调度性。无交互能力。

3 分时系统

分时技术：把处理机的运行时间分成多个很短的时间片，轮流分配给多个联机程序。特征：

• 交互性；
• 多用户同时性：一台计算机可以连接多个终端，多个用户可以通过时间片轮转共享计算机资源；
• 独立性：各个用户通过自己的终端独立使用计算机，感觉自己一个人独占计算机单元；
• 及时性。

4 实时系统

能及时响应随机发生的外部事件，并且快速处理。专门用途：用于生产控制、武器控制、实时信息控制等。

分类：

• 实时控制系统：例如导弹控制；
• 实时信息处理系统：飞机票预定、航班查询等。特征：即时响应、高可靠性。

系统	多路性	独立性	及时性	交互性	可靠性
批处理系统	不能同时为多个用户服务	不独立	不够及时	不能	可靠
分时系统	为多个用户服务	好	人能接受的等待时间	好	可靠
实时系统	为多个对象服务	好	规定时间	人与系统交互存在一定限制	高度可靠

5 个人操作系统

联机的交互式的单用户操作系统。实时（用户可接受的时间）多任务。例如：MS-DOS、UNIX、Linux、OS/2、Windows、MAC。

由于是个人专用，在多用户和分时所要求的处理机调度、存储保护简单得多。GUI友好。

6 网络操作系统

与处理机操作系统没有本质区别。需要网络接口控制器及一些底层软件来驱动它。还要远程登录、远程文件访问程序。

7 分布式操作系统

分布式要求一个统一的操作系统，实现系统操作的统一性。引入一个高级操作系统，各个处理机有自己的似有操作系统。高级操作系统有两种实现形式：（1）在各处理机的私有操作系统之外独立存在，私有操作系统可以识别和调用它；（2）在各个私有操作系统之上加以扩展。

对于各个物理资源的管理，高级操作系统和各私有操作系统之间不允许明显的主从管理关系。

系统的透明性：操作系统同一调度，提供统一用户界面。实际操作在哪一台计算机运行、调用哪一台计算机资源，由操作系统决定，对用户是透明的。计算机网络，用户需要明确指定使用哪一台计算机。

基础是网络。

8 嵌入式操作系统

使用固化软件，即固件（firmware）。

软硬件专门用途，量体裁衣，去除冗余，实时高速（软件存在存储器芯片或者单片机中，而非磁盘），低功耗。

 

三、 操作系统功能：

1. 进程管理

2. 存储管理

3. 设备管理

4. 文件管理

5. 用户接口

 

四、操作系统基本特征：

并发性：程序（进程）并发运行。并发：单处理机，多个事件在同一时间间隔发生；并行：多处理机，多个事件同一时刻发生。

共享性：共享系统资源。互斥共享：如打印机；同时访问：如磁盘I/O。

不确定性：操作系统的随机性。

 

五、操作系统结构

1. 模块组合结构

任何模块间可以任意调用，没有任何数据封装和隐藏。高效率，难扩展和升级。

例如：CP/M、MS-DOS.

2. 层次结构

分层，下层模块封装内部细节，上层模块通过接口调用下层模块。

操作系统调用功能时，要从上而下穿越很多层，效率较低。

例如：UNIX，Linux，VAX/VMS，MULTICS.

模块组合结构和层次结构称为宏内核操作系统，包括了各种可能需要的功能。

3. 微内核结构

优点：可扩展性高，可靠性高，可移植性高，提供了分布式系统的支持，融入了面向对象技术。

缺点：需要多次上下文切换，效率低于早期操作系统。

例如：MACH、MacOS、Windows.

4. 虚拟机结构

 

六、Linux特点

内核结构