Computer Science - An Overview - 3. Operating Systems

3.1 The History of Operating Systems

• 多任务处理（multitasking）的问题
  • load balancing：在多个处理器这件，动态调节任务
  • scaling：把一个任务拆分成子任务
• embedded system：嵌入到特定仪器上的系统

3.2 Operating System Architecture

A Software Survey

Components of an Operating System

• 操作系统 = UI + kernel
• 两类UI：shell（键盘显示器，文本）vs. GUI

-	UNIX	Windows
shell	Bourne shell, C shell, ...	cmd
GUI	X11	windows

• kernel
  • 文件管理（斜线：windows左，网址、LINUX右 ）
  • 设备驱动：和controller通讯的软件
  • 内存管理：管理主存。paging：把待处理信息在主存和硬盘之间来回倒，制造虚拟内存。
  • scheduler，dispatcher

Getting It Started

• 开机过程
  • 开启前操作系统存储在硬盘中，主存是空的
  • 每次启动，CPU的program counter（存储这下一条指令的地址），都包含一个预定的地址
  • 这个地址指向内存中特殊的ROM(read only memory，掉电依然保存)，存储着boot loader
  • boot loader负责把操作系统载入到主存中，之后让program counter跳转到操作系统的第一条指令
• 操作系统可以存放在闪存甚至远程电脑中
• firmware：ROM中，除了boot loader之外的其他软件。介于软硬之间。例如BIOS, EFI。

3.3 Coordinating the Machine's Activities

The Concept of a Process

• 进程：执行一个程序的“行为”。随着时间变化。
• 进程状态 = 程序中正在执行的位置（program counter）+所有寄存器状态

Process Administration

• scheduler：在process table中管理任务（任务管理器可见）
  • 记录process使用的内存地址，优先级，ready/waiting
• dispatcher：管理资源（时间片）
  • 从所有ready进程中，选择最高优先级，分配一个时间片
  • 时间片计时结束后，触发interrupt
  • CPU完成当前machine cycle
  • CPU记录当前process状态，进入下一循环

3.4 Handling Competition Among Processes

• 需要竞争的资源：文件读写权限、 新文件创建的硬盘空间、内存、process table中的位置、时间片、网络、GPU

Semaphores

• 有些代码（例如独占设备），一次只能由一个进程执行完，才允许下一个进程执行。要用一个flag进行保护
• 这个flag本身的读取/设置也需要进行
  • 法1：在读取时，设定不可中断；设置完成后，再设置可中断
  • 法2：test-and-set设置为一个指令，在一个machine cycle中完成
• 这种“精心维护”的flag称为semaphore。可访问程序个数可以不止为一。

Deadlock

• 多个进程，相互等待对方完成，才能从waiting变成ready
• 死锁的三个必要条件

名称	含义	解决	举例
竞争	在不可共享资源上存在竞争	规避	把打印机驱动（不可共享）当成资源->把待打印队列（可共享）达成资源。spooling
请求和保持	进程一部分一部分地申请资源。申请新的时候，旧的不放弃	规避	一次申请全部资源
不可剥夺	资源分配后，不可被强制取回	检测和矫正	杀进程

3.5 Security

Attacks from the Outside

Attacks from Within

• 两种模式：privileged mode/nonprivileged mode，是否可以运行所有指令
• 某些指令（e.g.改写程序访问限制的寄存器），需要限制执行