计算机操作系统(一)绪论

1.绪论

1.1操作系统的概念、功能

1.1.1操作系统的概念

操作系统：是系统资源的管理者、向上层提供方便易用的服务、最接近硬件的一层软件

• 控制和管理整个计算机系统的硬件和软件资源
• 合理组织调度计算机的工作和资源分配
• 提供给用户和其他软件方便的接口和环境
• 计算机系统中最基本的系统软件

1.1.2操作系统的功能和目标

作为系统资源的管理者

作为系统资源的管理者

• 提供的功能
  • 处理机管理
  • 存储器管理
  • 文件管理
  • 设备管理
• 目标：安全、高效

向上层提供方便易用的服务

封装，操作系统将不友好的硬件功能封装成简单易用的服务，使用户能更方便的使用计算机
用户无需关心底层硬件的管理，只需要对管理操作系统发出命令即可

GUI：图形化用户接口
不需要记忆复杂的命令

联机命令接口=交互式命令接口
脱机命令接口=批处理命令接口

程序接口：可以在程序中进行系统调用来使用程序接口
普通用户不能直接使用程序接口，只能通过程序代码间接使用

最接近硬件的层次

需要实现对硬件机器的拓展

没有任何软件支持的计算机：裸机
裸机上安装操作系统，将硬件机器的功能拓展
通常把覆盖了软件的机器称为扩展机器，又称为虚拟机

1.1.3 操作系统的特征

• 并发
• 共享
• 虚拟
• 异步

并发

并发：同一时间间隔内发生
宏观上同时发生，微观上交替发生
并行：同一时刻同时发生

操作系统的并发性：同时运行多个程序，宏观同时运行，微观交替运行
操作系统和程序并发是一起诞生的

单核CPU只能并发运行程序
多核CPU才能并行运行

并发性是操作系统的一个最基本的特性

共享

共享：资源共享，系统中资源可供内存中多个并发执行的程序同时使用

两种资源共享方式

• 互斥共享方式
• 同时共享方式（宏观上同时）

并发性和共享性：互为存在条件

虚拟

虚拟：把一个物理上的实体变为若干个逻辑上的对应物
物理上的(实际存在)，逻辑上(感受到的)

虚拟技术

• 空分复用技术（虚拟存储器）
• 时分复用技术（虚拟处理器）

有并发才有虚拟

异步

异步：程序执行不是一贯到底的，而是走走停停，以不可预知的速度推进，即进程的异步性

有并发才有异步

1.2操作系统的发展与分类

• 手工操作阶段

• 批处理阶段

  • 单道批处理系统
  • 多道批处理系统(OS开始出现)

• 分时操作系统

• 实时操作系统

• 网络操作系统

• 分布式操作系统

• 个人计算机操作系统

各类操作系统主要解决什么问题，优缺点

手工操作阶段

主要缺点：用户独占全机，人机速度矛盾导致资源利用率极低

单道批处理系统

引入脱机输入/输出技术，并由监督程序负责控制作业的输入、输出

主要优点：环节一定程度的人机速度矛盾，资源利用率有所提升
主要缺点：内存中仅能有一道程序运行
CPU有大量的时间在空闲等待I/O完成
资源利用率还是很低

多道批处理系统

每次读入多道程序，支持多道程序并发运行

主要优点：多道程序并发执行，共享计算机资源
资源利用率大幅提升
主要缺点：用户相应时间长，没有人机交互功能

分时操作系统

以时间片为单位轮流为各个用户/作业服务

主要优点：用户请求可以被即时相应，解决了人机交互问题
允许多个用户同时使用一台计算机，且感受不到别人存在
主要缺点：不能优先处理一些紧急任务

实时操作系统

主要优点：能够优先相应一些紧急任务，某些紧急任务无需时间片排队

实时操作系统控制下，接收外部信号后及时进行处理，且要在严格的时限内处理完成事件

主要特点：及时性和可靠性

实时操作系统

• 硬实时系统：必须在绝对严格的规定时间内完成处理
• 软实时系统：能接收偶尔违反时间规定

其他几种操作系统

网络操作系统：实现网络中各种资源的共享和各台计算机之间的通信

分布式操作系统：分布性和并行性，任何工作都可以分布在这些计算机上，并行、协同的完成这个任务

1.3操作系统运行机制

1.3.1操作系统的运行机制

• 两种指令
  • 特权指令
  • 非特权指令
• 两种处理器状态
  • 核心态
  • 内核态
• 两种程序
  • 内核程序
  • 应用程序

应用程序与内核程序

普通程序员写的程序应用程序
使用非特权指令
操作系统开发者编写的内核程序
使用特权指令

CPU设计和生产时就划分了特权指令和非特权指令

CPU有两种状态：内核态(核心态、管态)、用户态(目态)
处于内核态时：此时正在运行内核程序，可以执行特权指令
处于用户态时：此时正在运行应用程序，只能执行非特权指令

CPU中：程序状态寄存器PSW，有表示内核态与用户态的二进制位

内核态、用户态切换

内核态->用户态：执行特权指令：修改PSW标志位
用户态->内核态：中断引发，硬件自动完成状态切换
开机：内核态

内核让出CPU前，会用特权指令将PSW的标志位设置为用户态

1.3.2中断和异常

• 中断的作用
• 中断的类型
  • 内中断(异常)
  • 外中断
• 中断机制的基本原理

中断的作用

让操作系统内核夺回CPU使用权的唯一途径

没有中断，就没有并发

中断的类型

• 内中断
  • 与当前执行的命令有关
  • 中断信号来源于CPU内部
  • 应用程序执行特权指令(终止abort)、除0等异常(故障fault)、调用陷入指令完成系统调用(陷阱、陷入trap)
• 外中断
  • 与当前执行指令无关
  • 中断信号来源于CPU外部
  • 时钟中断、I/O中断请求

中断机制的基本原理

不同的中断信号，需要不同的中断处理程序来处理
CPU检测到中断信号后，查询中断向量表，找到内存中中断处理程序的位置

1.3.3系统调用

• 什么是系统调用
• 与库函数的区别
• 为什么是必须的
• 什么功能需要系统调用
• 系统调用的过程

什么是操作系统

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

系统调用与库函数的区别

库函数-调用->系统调用

有些库函数不使用系统调用

什么功能需要系统调用

按功能分类

• 设备管理
• 文件管理
• 进程控制
• 进程通信
• 内存管理
  凡是与共享资源有关的操作，都必须通过操作系统调用的方式向操作系统提出请求

系统调用的过程

传参指令(传递系统调用的参数)
陷入指令(陷入内核) 非特权指令，会引发内中断
系统调用
返回

用户态发出系统调用请求
内核态执行系统调用相应处理

1.4操作系统体系结构

• 大内核(宏内核/单内核)
• 微内核
• 分层结构
• 模块化
• 外核

所有功能都包含：大内核

只包含与硬件关系最紧密的部分：微内核
不属于内核的功能会运行在用户态(反复调用系统调用)，会影响系统性能(需要频繁陷入内核)

大内核

• 主要功能模块都包含
• 优点：高性能
• 缺点：内核代码庞大，结构混乱，难以维护

微内核

• 只保留最基本的功能
• 优点：内核功能少，结构清晰，方便维护
• 缺点：需要频繁在内核态和用户态之间切换，性能低

分层结构

• 每层调用更低层的功能
• 优点：
  • 便于调试和验证
  • 易于扩充和维护，功能清晰稳定
• 缺点：
  • 仅能调用相邻低层，难以合理定义各层边界
  • 效率低，不可跨层调用，系统调用执行时间长

模块化

• 将内核划为多个模块，各个模块相互协作
• 内核=主模块+可加载内核模块
  • 主模块：只负责核心功能
  • 可动态加载内核模块，无需重新编译整个内核
• 优点：
  • 模块间逻辑清晰易于维护，确定模块间接口后即可多模块同时开发
  • 支持动态加载新的内核模块，增强OS适应性
  • 任何模块都可以直接调用其他模块，无需消息传递进行通信，效率高
• 缺点：
  • 模块间接口定义未必合理、实用
  • 模块间相互依赖，更难以调试和验证

外核

• 内核负责进程调度，进程通信等功能
• 外核负责为用户进程分配未经抽象的硬件资源，且保证资源使用安全
• 优点：
  • 不虚拟，不抽象的硬件资源，用户进程可以更灵活的使用硬件资源
  • 减少了虚拟硬件资源的映射层，提高效率
• 缺点：
  • 降低了系统的一致性
  • 使系统变得更复杂

1.5操作系统引导

• 什么是操作系统引导(boot)
• 磁盘里有哪些数据
• 操作系统引导的过程

主引导记录MBR
磁盘引导程序和分区表
系统盘
引导记录PBR
根目录
其他

RAM中

• ROM(BIOS)
  • 引导程序，进行自举

开机->跳转执行bios->从主引导记录中读取磁盘引导程序，扫描分区表
->从活动分区读取分区引导记录，执行其中的程序
->从根目录下找到完整系统初始化程序，执行，完成开机

1.6虚拟机

传统计算机

一台物理机器上只能运行一个操作系统

虚拟机

使用虚拟化技术，将一台物理机虚拟化为多台虚拟机

第一类VMM：直接运行在硬件上

• 能直接控制和分配物理资源
• 性能更好
• 可迁移性更差
  第二类VMM：运行在宿主操作系统上
• 依赖宿主OS为其分配物理资源