笔记_408_操作系统_01. 计算机系统概述

01. 计算机系统概述

1.1 OS 的基本概念

• 操作系统（OS）
  • 指控制和管理整个计算机系统的硬件和软件资源，并合理地组织调度计算机的工作和资源的分配——系统资源的管理者
  • 以提供给用户和其他软件方便的接口和环境——向上层提供方便易用的服务
  • 是计算机系统中最基本的系统软件——最接近硬件的一层软件

OS的目标和功能

1. 计算机系统资源的管理者

   • 处理机管理：可以归结为对进程的管理（多道程序环境下，处理机的分配和运行都是以进程为基本单位）
   • 存储器管理
   • 文件管理
   • 设备管理：主要任务是完成用户的 I/O 请求

2. 用户与计算机硬件系统之间的接口

   • 图形用户界面 GUI ：最终通过调用程序接口实现

   OS提供的接口主要分两类

   • 命令接口：用户利用这些操作命令来组织和控制作业的执行
     • 联机式命令接口 / 交互式命令接口
       • 适用于：分时 / 实时系统
       • 由一组键盘操作命令组成
       • 说一句做一句
     • 脱机式命令接口 / 批处理命令接口
       • 适用于：批处理系统
       • 由一组控制命令组成
       • 说一堆做一堆
   • 程序接口：编程人员可以使用它们来请求OS服务
     • 系统调用 / 广义指令（用户通过程序使用）

3. 实现对计算机资源的扩充

   • 裸机（纯硬件）→ 扩充机器 / 虚拟机（覆盖了软件的机器）

OS的特征

并发和共享是 OS 两个最基本的特征，两者之间互为存在的条件。没有并发和共享，就谈不上虚拟和异步

• 并发：指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。宏观上是同时发生的，但微观上是交替发生的

  • OS 通过分时实现

  • 操作系统和程序并发是一起诞生的

  • 单核CPU同一时刻只能执行一个程序，各个程序只能并发地执行

    多核CPU同一时刻可以同时执行多个程序，多个程序可以并行地执行

    易混淆- 并行：同一时刻，需要相关硬件的支持

• 共享

  • 互斥共享方式：一个时间段内只允许一个进程访问该资源
  • 同时共享方式：允许一个时间段内由多个进程“同时”对它们进行访问

• 虚拟：把一个物理上的实体变为若干个逻辑上的对应物

  • 空分复用技术：如虚拟存储技术
  • 时分复用技术：如虚拟处理器技术

• 异步

1.2 OS 发展历程

• 手工操作阶段

  • 所有工作都要人工干预，人机矛盾越来越大

  • 突出特点：用户独占全机、CPU等待手工操作

• 批处理阶段：为解决人机矛盾及 CPU 和 I/O 设备之间速度不匹配的矛盾

  • 单道批处理系统：缓解了人机速度矛盾

    • 对作业的处理是成批进行的，但内存中始终保持一道作业
    • 特点：自动性、顺序性、单道性
    • 问题：每次主机内存中仅存放一道作业，每当它运行期间发出 I/O 请求，高速 CPU 便处于等待低速 I/O 完成的状态

  • 多道批处理系统：进一步提高资源利用率和系统吞吐量

    • 允许多个程序同时进入内存且在 CPU 中交替运行，共享系统中的软硬件资源

    • 特点：多道、宏观上并行、微观上串行、制约性（资源竞争）、间断性、共享性

      程序失去了封闭性和顺序性

• 分时操作系统：为解决人机交互的问题

  • 计算机以时间片为单位轮流为各个用户 / 作业服务（多个用户通过终端同时共享一台主机）
  • 特点：同时性/多路性、交互性、独立性（系统中多个用户可以彼此独立地进行操作）、及时性

• 实时操作系统

  • 特点：实时性、可靠性

1.3 OS 运行环境

1.3.1 处理及运行模式

• 特权指令：不允许用户直接使用的指令

  • 如：I/O 指令、置中断指令、清内存、置时钟、分配系统资源、修改虚表的段表或页表、修改用户访问权限、存取用于内存保护的寄存器、送程序状态字到程序状态字寄存器等的指令

  【2021.23】常见的特权指令：① 有关对 I/O 设备操作的指令；② 有关访问程序状态的指令；③ 存取特殊寄存器指令；④ 其他指令

• 非特权指令：允许用户直接使用的指令，不能直接访问系统中的软硬件资源

• 应用程序（用户态）向 OS 请求服务时通过使用访管指令 = 陷入指令 = trap指令，产生一个中断事件将 OS 转换为核心态

  访管指令本身不是特权指令

大多数OS的内核包括4方面内容

• 时钟管理
• 中断机制
  • 现代 OS 是靠中断驱动的软件
  • 只有一小部分功能属于内核，它们负责保护和恢复中断现场的信息，转移控制权到相关的处理程序
• 原语
• 系统控制的数据结构及处理：实际上是系统调用类的指令
  • 常见的操作有进程管理、存储器管理、设备管理等

1.3.2 中断和异常的概念

• 时钟中断：处理和时间有关的信息及决定是否执行调度程序

  和时间有关的所有信息包括：系统时间（可以更新内核中时钟变量的值）、进程的时间片、延时、使用 CPU 的时间、各种定时器

1.3.3 系统调用

• 系统调用

  • 操作系统提供给应用程序（程序员/编程人员）使用的接口，可以理解为一种可供应用程序调用的特殊函数，应用程序可以通过系统调用来请求获得操作系统内核的服务
  • 用户在程序中调用 OS 所提供的一些子功能，可视为特殊的公共子程序

• 系统中的各种共享资源都由操作系统内核统一掌管，因此凡是与共享资源有关的操作（如存储分配、I/O操作、文件管理等），都必须通过系统调用的方式向操作系统内核提出服务请求，由操作系统内核代完成

• 

• 系统调用的过程

  

  【2022.31】发生系统调用时，CPU 通过执行软中断指令（软件引起的中断）让 CPU 的运行模式由用户态切换到内核态，该过程与中断和异常的处理过程相同

  • 硬件：负责保存断点和程序状态字，并将 CPU 模式改为内核态
  • OS：执行 OS 内核的系统调用入口程序，该内核程序负责保存通用寄存器的内容，再调用执行特定的系统调用服务例程

  注意区分调用和执行，调用可能发生在用户态（调用广义指令的那条指令不一定是特权指令），但广义指令存在于核心态，一定执行在核心态

  操作系统不同，底层逻辑、实现方式均不同，为应用程序提供的系统调用接口也不同

1.4 OS 结构

• 微内核

  • 基本概念

    • 从四方面来描述

      1. 内核足够小
      2. 基于客户 / 服务器模式
      3. 应用**“机制与策略分离”**原理
      4. 采用面向对象技术

    • 将 OS 划分为两部分：微内核和多个服务器（借助微内核提供的消息传递机制实现交互）

      • 微内核通常包括
        1. 与硬件处理紧密相关的部分
        2. 一些较基本的功能
        3. 客户与服务器之间的通信
      • 微内核 OS 中的绝大部分功能都放在微内核外的一组服务器（进程）中实现——用户态

  • 基本功能：“机制与策略分离”

    • 进程（线程管理）
      • 进程通信 / 切换 / 调度，处理机之间的同步等都在微内核中
    • 低级存储器管理
      • 微内核中只配置最基本的低级存储器管理机制，这部分是依赖于硬件的
    • 中断和陷入处理

  • 特点

    1. 扩展性和灵活性：增加或修改功能时，只需在相应的服务器中增加或修改，或则再增加一个专用的服务器，无需改动内核代码
    2. 可靠性和安全性：一个模块的错误不会使得整个系统崩溃
    3. 可移植性
    4. 分布式计算：C 和 S 之间、S 和 S 之间的通信采用消息传递机制，使得微内核系统可以很好地支持分布式系统和网络系统

典型的大内核/宏内核/单内核 操作系统： Linux、UNIX

典型的 微内核 操作系统： Windows NT

1.5 OS 的引导（开机）

OS 是一种程序，程序以数据的形式存放在硬盘中

① CPU从一个特定主存地址开始，取指令，执行ROM（BIOS）中的引导程序/自举程序/boot程序（之后 → 先进行硬件自检，再开机）

• ROM 中存储了 BIOS（基本输入/输出系统 ），BIOS 中有引导程序

② 加载带有 OS 的硬盘，将磁盘的第一块 —— **主引导记录（MBR）**读入内存，执行磁盘引导程序，扫描分区表

• 主引导记录：告诉 CPU 去硬盘的哪个分区找 OS

③ 加载硬盘活动分区，从活动分区（又称主分区，即安装了 OS 的分区）读入分区引导记录（PBR），执行其中的程序

• 分区引导记录 PBR：用于寻找并激活分区根目录下用于引导 OS 的程序（启动管理器）

④ 从根目录下找到完整的操作系统初始化程序（即 启动管理器）并执行，加载 OS，完成“开机”的一系列动作

---

计算机开机后，OS 被加载到 RAM 中

• 引导程序分两种
  • 位于 ROM 中的自举程序（BIOS的组成部分），用于启动具体设备
  • 位于装有 OS 硬盘的活动分区的引导扇区中的引导程序（称 启动管理器），用于引导 OS

OS 初始化过程中需要创建中断向量表

1.6 虚拟机

• 虚拟机：使用虚拟化技术，将一台物理机器虚拟化为多台虚拟机器（Virtual Machine, VM），每个虚拟机器都可以独立运行一个操作系统
• 同义术语：虚拟机管理程序 / 虚拟机监控程序 / Virtual Machine Monitor（VMM）/ Hypervisor

VMware workstation 虚拟机属于第二类虚拟机管理程序

Notes

• 库函数和系统调用的区别
  • 库函数：是语言或应用程序的一部分，可以运行在用户空间中
    • 许多库函数会使用系统调用来实现功能，未使用系统调用的库函数执行效率通常比系统调用高
  • 系统调用：是 OS 的一部分，是内核为用户提供的程序接口，运行在内核空间中