【基础学习】操作系统学习笔记 - 操作系统基础：简介、计算机架构、系统调用、操作系统历史

在中国大学MOOC上学习操作系统
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什么是操作系统

1. 是计算机硬件和应用之间的一层软件
   

2. 帮我我们高效地使用硬件，比如开多个终端

3. 可以管理CPU、内存、终端、磁盘、文件、网络、电源、多核心/分布式硬件

要学什么

1. 操作系统提供的接口
   printf；使用CPU：fork；使用文件：open、read
2. 能理解真实操作系统的运转
   一段文字是如何写到磁盘上的
   printf(“hello”)到底怎么回事
3. 设计并实现操作系统
   这个就有点难了…，能修改或者扩展就可以。

揭开钢琴的盖子

计算机架构

简单图灵机

计算机是计算模型的实现。
图灵机类似人脑在用笔计算在纸上的内容：
控制器相当于人脑，读操作和写操作相当于眼睛和笔，存储器相当于纸。

显然上面的例子只能算加法，先读出被加数（3）和加数（2），再读操作（+），然后写入计算内容。

通用图灵机

对于控制器的推理，进行抽象：

可以看出来核心就是设置控制器的动作，可以理解成程序。

现代计算机

在通用图灵机的基础上，冯·诺依曼发明了存储程序的思想，因此也被称为现代计算机之父。
（题外话：图灵被称为计算机之父，冯·诺伊曼被称为现代计算机之父）
需要注意的是

1. 核心思想就是将程序和数据存放到计算机内部的存储器（内存）中，计算机在程序的控制下一步一步进行处理。
2. 计算机的五大部件：
   1. 输入设备
   2. 输出设备
   3. 存储器
   4. 运算器
   5. 控制器

（题外话：那个IP指针有时候也被称为PC指针，就是那个PC -> PC + 1）

计算机的工作步骤：

1. 将程序读进内存
2. PC指针指向程序
3. 取出指令并执行指令
4. PC指针继续指向下一条

计算机的第一条指令（自下而上学习）

打开电源后，计算机执行的第一句指令是什么？（PC指向了谁？）

对于x86 （intel）计算机：（这段太干货了，对应下面的代码）

1. x86 PC刚开机时CPU处于实模式
   注释：
   • CPU复位（reset）或加电（power on）的时候以实模式启动
   • 实模式和保护模式都是CPU的工作模式，而CPU的工作模式是指CPU的寻址方式、寄存器大小等用来反应CPU在该环境下如何工作的概念。
2. 开机时，CS=0xFFFF;IP=0x0000
   CS：段寄存器，IP：段内偏移
3. 寻址0xFFFF0(ROM BIOS映射区)
   ROM中的内容是被固化在里面的，BIOS（Basic Input Output System），给内存一个最基本的内容。
   为什么寻址0xFFFF0？CS << 4 + IP 结果就是这个地址。
4. 检查RAM、键盘、显示器、软硬键盘
   其实这几个也是计算机主板上的最重要的几个硬件
5. 将磁盘0磁道0扇区读入0x7c00处
   0磁道0扇区，又称操作系统的引导扇区。
6. 设置CS=0x07c0,IP=0x0000

上述的所有内容可以精简成一句话：从磁盘引导扇区读出最初的512字节的内容。

1. 引导扇区就是启动设备的第一个扇区
2. 启动设备信息被设置在CMOS中（用来存储实时钟和硬件配置信息）
3. 硬盘的第一个扇区存放着开机后执行的第一段我们可以控制的程序
4. 自此，操作系统开始运行

后面课程老师讲解了x86引导操作系统启动的具体汇编代码，这里就直接跳过了。
在这个引导过程中初始化了GDT、IDT、mem_map等重要数据结构：
GDT，即全局描述表（GDT Global Descriptor Table）。
IDT，Interrupt Descriptor Table，即中断描述符表，和GDT类似，他记录了0~255的中断号和调用函数之间的关系。
mem_map是一个数组，存放了所有的页描述符。一个页对应一个页描述符。

操作系统接口（自上而下学习）

引导完成后，内存中会形成下面这样的结构：

1. OS会在0号地址
2. 接着是GDT、IDT等数据结构的位置
3. 如果未来操作系统启动后，APP将在很上面
   

用户使用计算机

操作系统的接口显然不是对用户开放的，用户可以借助但不限于以下方式使用计算机：

1. 命令行
2. 图形按钮
3. 应用程序
   

命令行

下面的代码就可以实现一个命令行：
使用死循环来不断等待用户输入，然后得到输入以后进行执行。

printf是如何实现的？

图形按钮

消息循环也是一个类似上边shell的死循环，不断地从内核中读取消息然后调用消息处理函数。

什么是操作系统接口？

回到上面我们可以知道：
命令行：命令程序
图形界面：消息框架程序 + 消息处理程序
可以看出来，用户使用计算机的方式，依然不是直接面向操作系统接口，而是通过某些程序来对计算机进行控制，而这些程序就使用了操作系统的某些重要的函数，这些函数被称为操作系统接口。
接口表现为函数调用，又由系统提供，所以又被称为系统调用（System Call）。

系统调用举例

以POSIX（Portable Operating System Interface of Unix,可移植操作系统接口,IEEE制定的一个标准族）为例：

（题外话：Linux的发行版没有正式认证POSIX，但很兼容POSIX标准）

系统调用的实现

实现一个whoami系统调用

用什么写？

显然不是通过C语言来写：

内核态与内核段

1. 一定要将内核程序和用户程序相隔离：硬件设计
2. 内核态可以访问任何数据，用户态不可以访问内核数据
   
   DPL: 全称descriptor privilege level，存放在段描述符中，用于表示段的特权级，可以在GDT中取得。
   CPL：全称current privilege level，存放在代码段寄存器中（cs），代表当前执行程序的特权级
   RPL: 全称request privilege level，请求特权级，存放在段选择子中。
   CPL应该小于等于DPL才可以访问内存段的全部，可取的值为0，1，2，3，其中0属于内核态，1、2属于OS服务，3属于用户态。
   对于上面的whoami例子，main函数就是3，whoami在被main调用时是3，在系统调用时是0。因此如果main函数调用whoami，就会导致DPL

硬件提供了“主动进入内核的方法”

中断指令（对于intel x86是int指令）：

1. 中断指令可以将CS中的CSL改为0，直接进入内核
2. 这是用户调用内核代码的唯一方式

系统调用核心：

1. 用户程序中包含一段包含int指令的代码
2. 操作系统写终端处理，获取想调用的程序的编号
3. 操作系统根据编号执行相应的代码。

中断指令由C语言提供的库函数来调用。
可以理解为操作系统允许用户在"一定程度上"操作内核。

Linux对系统调用的实现

使用宏来展开一段带有int指令的系统调用，内嵌了汇编语言。

后边老师又讲了一部分汇编语言的知识，跳过

int 0x80中断（80号中断）的处理

大致的意思是:
int 0x80 将DPL置为3，穿过操作系统调用sys_write。

printf流程

实现whoami的架构

操作系统历史（当个故事看看）

批处理系统（Batch System）

1. 批处理系统只专注于计算。
2. 监控系统发现当一个任务出错时，立刻将PC指针指向下一个任务的起始位置，并向磁带写入错误信息（写入较慢，I/O操作的成本比较高）。

多道程序系统（Multiprogramming System）

1. 一台计算机可以执行多个任务
2. 多道程序（multi-programming）设计（多进程结构和进程管理概念萌芽）
3. 作业之间的切换和调度成为核心：即有I/O任务,又有计算任务，需要让CPU的利用率变高。

分时系统(Time Sharing System)

1. 如果每个人启动一个任务，作业之间快速切换，和多道程序系统没有什么本质区别。
2. 核心仍然是任务切换，但是资源复用的的思想对操作系统影响很大，虚拟内存就是一种复用。
3. 这对服务器很重要，因为服务器有很多用户，PC基本上只有一个用户在使用。

多进程系统（MultiProcess System）

UNIX

小型机（虽然叫小型机，但也并非PC机）开始出现
UNIX并非一类操作系统，而是一个划时代的操作系统。

Linux

比如安卓系统的内核就是Linux,像一些Linux发行版比如Ubuntu、CentOS、RedHat都是Linux的分支、

小结1

操作系统发展的核心思想:

1. 用户通过执行程序来使用计算机（来自冯诺依曼的思想）
2. 操作系统要让多个程序合理推进，这就是进程管理。
3. 多进程/多用户推进时需要内存复用

PC机与DOS（Disk OS）

CP/M

注意：上面的QDOS不是Q - DOS，DOS的D指的是Disk。

MS-DOS

MS-DOS就是WIndows的底层支持，那个背景蓝色的类似命令行的操作系统。

Windows

自此有了图形化界面（GUI），计算机使用起来更方便了。

Mac OS 与 iOS

感觉这两个操作系统更多的关注移动设备，能耗成了一个重要的指标。

小结2

1. 操作系统的核心仍然是程序执行、多进程、程序带动其他设备使用。
2. 用户体验被重视了，文件、编程环境、图形界面。

总结

操作系统的学习有着两个“图像”：

操作系统管理硬件，方便我们使用。

• 多进程图像：涵盖CPU、内存
• 文件图像：涵盖I/O、磁盘
  

设备管理

设备的表格进行了初始化，等待用户的设备使用(系统调用)，将其展开成设备细节。

管理的资源

下面标注的四个“管理”恰好也是后面需要学习的部分。