学堂在线_操作系统_notes_第0-2讲_OS概述、OS实验环境准备

学堂在线_操作系统_notes_第0-2讲_OS概述、OS实验环境准备
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20220626.No.1821
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操作系统OS 综合了 C语言 + 数据结构与算法DSA + 计算机组成。

OS 是 控制程序 + 资源管理器。

硬件——操作系统——应用软件。

操作系统 = Shell + GUI + Kernel。

OS的特征：
【1】并发（管理多个同时运行的程序）；
【2】共享（多个程序并发运行时，宏观上貌似“同时”访问资源，微观上任一时刻只有一个程序通过数据总线访问资源）；
【3】虚拟（OS的高频交替运行 使每个用户感觉只有自己一人占用机器）；
【4】异步（程序的执行走走停停，只要用户的输入一致，则程序的输出结果不变）。
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OS领域的顶级会议：
（1）SOSP——ACM SIGOPS 操作系统原理研讨会；
（2）OSDI——USENIX操作系统设计和实现研讨会。

SIGOPS Hall-of-Fame Awards：
论文必须发表在同行评议的文献中至少十年，
到目前为止有三十多篇论文获奖，
http://www.sigops.org/award-hof.html
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OS系列：（1）UNIX BSD 系列；（2）Linux系列、Android系列；（3）Windows系列。
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20220627.No.1822
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OS的演变：单用户系统 -> 批处理系统（辅助系统完成数据输入输出操作，CPU完成更有价值的操作，节约CPU运算资源）、多程序系统（提高OS利用效率，减少CPU闲置时间） -> 分时（多作业交替运行，减少单一作业的等待时间，节约用户时间） -> 个人计算机（易用性，例如图形用户界面） -> 分布式计算（网络支持、安全性、高可靠性）。
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OS的结构：
（1）简单结构——MS-DOS；
（2）分层结构（可移植性，UNIX系统）—— 硬件 -（汇编语言）...OS...（C语言）- 用户接口；
（3）微内核结构（Microkernel）——（分层结构的层次越多，功能越多，OS越复杂，于是OS效率越低，所以最好把OS内核提供的服务放入用户态以提高效率），在OS内核中 只保留 进程间通信（LPC）与 对硬件支持（HAL）。用户态应用程序之间的通信 必须经过 Kernel。当代OS是分层结构与微内核结构的混合体，所以某些OS的某一功能可能在A版本OS的Kernel中，也可能在B版本OS的用户态中。
（4）外核结构（Exokernel）——对Microkernel结构的改进，在Microkernel的基础上，给Kernel保留更少功能。Kernel仅用于 与硬件安全绑定，并为应用程序分配资源。OS的其他功能放在 操作系统库（libOS），供应用程序使用。Exokernel更像 虚拟机。
（5）虚拟机管理器（VMM）——VMM把 真实硬件 虚拟成 若干虚拟硬件。
真实硬件 <-> VMM <-> OS <-> 应用软件。VMM负责隔离硬件资源，OS负责管理硬件资源。

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OS实验教学现状：
MIT设计2个OS（7000行以下），先让学生阅读xv6系统，再改进JOS系统。
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OS实验课 大量采用开源软件，方便且利用理解细节。
实验环境：Linux/Windows
源码阅读工具：understand
源码文档自动生成工具：Doxygen
编译环境：gcc，make，Binutils
真实/虚拟运行环境：X86机器或QEMU
调试工具：改进的QEMU＋(GDB O.R. IDE)
IDE工具：Eclipse-CDT
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实验内容——
1 OS启动、中断与设备管理：　　　  0200~1800行
2 物理内存管理：　　　　　　　　　1800~2500行
3 虚拟内存管理：　　　　　　　　　2500~3200行
4 内核线程管理：　　　　　　　　　3200~3600行
5 用户进程管理：　　　　　　　　　3600~4300行
6 处理器调度：　　　　　　　　　　4300~5100行
7 同步互斥：　　　　　　　　　　　5100~6400行
8 文件系统：　　　　　　　　　　　6400~9999行
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（1）硬件层——模拟x86架构，包含CPU、主存、各种外设；
（2）内核态（OS Kernel）——bootloader（引导加载程序）加载OS，让OS在主存中运行、管理硬件资源（主存（物理内存、虚拟内存）、CPU（内核线程、用户进程、处理器调度、同步互斥）、外设）；
（3）用户态——各种应用软件使用Kernel提供的服务。
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内存管理 -> 用户进程创建；
中断 -> 系统调用（用户进程管理）；
内核线程切换 -> 用户进程调度。

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OS实验环境搭建：
【1】安装实验环境——在虚拟机上使用安装好的ubuntu实验环境——
https://www.xuetangx.com/learn/XT0809003778220103/jfjhczxt/10217625/video/16972122https://www.xuetangx.com/learn/XT0809003778220103/jfjhczxt/10217625/video/16972122
（1）下载安装VirtualBox虚拟机软件——
https://www.virtualbox.org/
虚拟机镜像链接: https://pan.baidu.com/s/11Zxyws2HM8I0v_YoJsSrcw 提取码: ekzd
（2）VirtualBox软件和虚拟硬盘文件压缩包等信息可查询——
https://github.com/chyyuu/os_course_info
（3）解压压缩包后，可得到如下内容（大约4GB多）——
\mooc-os\mooc-os.vbox
\mooc-os\mooc-os.vbox-prev
\mooc-os\mooc-os.vdi
（4）用户名是 moocos  口令是 <空格键>。
【2】使用实验工具——
（1）shell命令：ls、cd、rm、pwd、mkdir、find
         基于bash （Bourne-Again SHell）
         完成对文件、目录的基本操作。
（2）系统维护工具：apt、git
         apt：安装管理各种软件。
         git：开发版本维护软件。
（3）源码编辑工具：Eclipse-CDT、understand、gedit、vim
         Eclipse-CDT：基于Eclipse的C/C++集成开发环境
              跨平台、丰富的分析理解代码的功能
              可与qemu结合，联机源码级Debug uCore OS。
         Understand：跨平台、丰富的分析理解代码的功能
               Windows上有类似的sourceinsight软件。
         gedit：Linux中的常用文本编辑
               Windows上有类似的notepad
         vim: Linux/unix中的传统编辑器
               类似有emacs等
               可通过exuberant-ctags、cscope等实现代码定位。
（4）源码比较工具：diff、meld
         比较不同目录或不同文件的区别
         diff是命令行工具，使用简单。
         meld是图形界面的工具，功能相对直观和方便。
（5）开发编译调试工具：gcc 、gdb 、make
         gcc：C语言编译器。
         gdb：执行程序调试器。
         make：软件工程管理工具
              make命令执行时，需要一个 makefile 文件，以告诉make命令如何去编译和链接程序。
（6）硬件模拟器：qemu
         qemu可模拟多种CPU硬件环境，本实验中，用于模拟一台intel x86-32的计算机系统。
【3】参考资料——
■ apt-get
    http://wiki.ubuntu.org.cn/Apt-get%E4%BD%BF%E7%94%A8%E6%8C%87%E5%8D%97
■ gcc
    http://wiki.ubuntu.org.cn/Gcchowto
    http://wiki.ubuntu.org.cn/Compiling_Cpp
    http://wiki.ubuntu.org.cn/C_Cpp_IDE      http://wiki.ubuntu.org.cn/C%E8%AF%AD%E8%A8%80%E7%AE%80%E8%A6%81%E8%AF%AD%E6%B3%95%E6%8C%87%E5%8D%97
■gdb

http://wiki.ubuntu.org.cn/%E7%94%A8GDB%E8%B0%83%E8%AF%95%E7%A8%8B%E5%BA%8F
■ make & makefile
    http://wiki.ubuntu.com.cn/index.php?title=%E8%B7%9F%E6%88%91%E4%B8%80%E8%B5%B7%E5%86%99Makefile&variant=zh-cn
■ shell
    http://wiki.ubuntu.org.cn/Shell%E7%BC%96%E7%A8%8B%E5%9F%BA%E7%A1%80
    http://wiki.ubuntu.org.cn/%E9%AB%98%E7%BA%A7Bash%E8%84%9A%E6%9C%AC%E7%BC%96%E7%A8%8B%E6%8C%87%E5%8D%97
■ understand
    http://blog.csdn.net/qwang24/article/details/4064975
■ vim
    http://www.httpy.com/html/wangluobiancheng/Perljiaocheng/2014/0613/93894.html
    http://wenku.baidu.com/view/4b004dd5360cba1aa811da77.html
■ meld
    https://linuxtoy.org/archives/meld-2.html
    类似的工具还有 kdiff3、diffmerge、P4merge
■ qemu
    http://wenku.baidu.com/view/04c0116aa45177232f60a2eb.html
■ Eclipse-CDT
    http://blog.csdn.net/anzhu_111/article/details/5946634

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x86-32硬件：80386
（1）4种运行模式（实模式、保护模式、SMM模式、虚拟8086模式）；
（2）地址（物理内存地址空间、线性地址空间、逻辑地址空间）；
（3）CPU寄存器（通用寄存器（EAX、EBX、ECX、EDX、ESI、EDI、EBP、ESP）、段寄存器（CS、DS、ES、SS、FS、GS）、指令指针寄存器（EIP）、标志寄存器（EFLAGS（IF标志位、CF标志位、PF标志位、ZF标志位））、控制寄存器、系统地址寄存器、调试寄存器、测试寄存器）。
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Q6：熟悉基本的git命令行操作命令，从github上 的 http://www.github.com/chyyuu/ucore_lab 下载 ucore lab实验

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