操作系统
概述
操作系统定义
- 没有公认的精确定义
- 是一个控制程序
- 一个系统软件
- 控制程序执行结果、防止错误和计算机的不当使用
- 执行用户程序，给用户程序提供各种服务
- 方便使用
- 是一个资源管理器
- 应用程序与硬件间的中间层
- 管理各种软硬件资源，提供访问资源的高效手段
- 解决资源的访问冲突，确保资源公平使用
操作系统下接CPU、磁盘、内存；上接进程、文件、地址空间。
操作系统内核特征
并发
- 并发是指宏观上在一段时间内能同时运行多个程序，而并行则指同一时刻能运行多个指令。
- 并行需要硬件支持，如多流水线、多核处理器或者分布式计算系统。
- 操作系统通过引入进程和线程，使得程序能够并发运行。
共享
- 共享是指系统中的资源可以被多个并发进程共同使用。
- 同时访问（宏观）
- 互斥共享（微观），互斥共享的资源称为临界资源，例如打印机等，在同一时间只允许一个进程访问，需要用同步机制来实现对临界资源的访问。
虚拟
- 虚拟技术把一个物理实体转换为多个逻辑实体。主要有两种虚拟技术：时分复用技术和空分复用技术。
- 多个进程能在同一个处理器上并发执行使用了时分复用技术，让每个进程轮流占有处理器，每次只执行一小个时间片并快速切换。
- 虚拟内存使用了空分复用技术，它将物理内存抽象为地址空间，每个进程都有各自的地址空间。地址空间的页被映射到物理内存，地址空间的页并不需要全部在物理内存中，当使用到一个没有在物理内存的页时，执行页面置换算法，将该页置换到内存中。
异步
- 程序的执行不是一贯到底，而是走走停停，以不可预知的速度推进
- 只要运行环境相同，OS要保证程序运行的结果也相同
基本功能
进程管理
进程控制、进程同步、进程通信、死锁处理、处理机调度等。
内存管理
内存分配、地址映射、内存保护与共享、虚拟内存等。
文件管理
文件存储空间的管理、目录管理、文件读写管理和保护等。
设备管理
完成用户的 I/O 请求，方便用户使用各种设备，并提高设备的利用率。
主要包括缓冲管理、设备分配、设备处理、虛拟设备等。
为什么学习操作系统
学习操作系统的设计与实现
windows：封闭式系统
linux：开放式系统
操作系统演变
单用户系统
问题：昂贵组件的低利用率
批处理系统
多程序系统
保持多个工作在内存中，并且在各工作间复用CPU
分时
定时中断用于工作时对CPU的复用
个人计算机：
效率已不是关注点，易用性为重点
分布式计算：
高可用性与可靠性
操作系统结构
大内核结构
大内核是将操作系统功能作为一个紧密结合的整体放到内核。
由于各模块共享信息，因此有很高的性能。
微内核结构
因为分层结构里面层次过多，效率低下。
尽可能将内核功能迁移到用户空间
用户模块间通信使用消息传递
好处：灵活、安全
缺点：性能。需要频繁在用户态与核心态之间切换
外核结构
让内核分配机器的物理资源给多个应用程序，并让每个程序控制如何使用资源。类似于虚拟机的结构
书籍推荐
- 操作系统概念（第7版 Abraham Silberschatz）
- 操作系统精髓与设计原理（第7版 William Stallings）
启动、中断、异常、系统调用
中断分类
外中断
由 CPU 执行指令以外的事件引起，如 I/O 完成中断，表示设备输入/输出处理已经完成，处理器能够发送下一个输入/输出请求。
此外还有时钟中断、控制台中断等。
异常
由 CPU 执行指令的内部事件引起，如非法操作码、地址越界、算术溢出等。
陷入
在用户程序中使用系统调用。
BIOS
计算机系统的启动过程：
CPU加电之后如何启动，在内存当中有一段ROM，有一些数据。
BIOS功能：
为系统启动提供服务
- 基本输入输出程序：以中断调用的方式提供基本的IO功能
- 系统设置信息（硬盘启动、光盘启动等）
- 开机自检
- 系统自启动程序
BIOS将加载程序加载进来，将操作系统的代码和数据加载到内存。
系统启动流程
BIOS：固化在主板上的程序，包括系统设置、自检、系统自启动程序
- CPU加电稳定后，在ROM中读第一条指令
- CPU初始状态为16位实模式
- BIOS初始化
- 硬件自检POST，检测内存、显卡等工作状态，进行设备初始化
- 执行系统BIOS，进行系统自检，检测即插即用设备
- 更新CMOS中的扩展系统配置数据ESCD
- 主引导记录记录MBR格式
- 启动代码
- 硬盘分区表
- 结束标志
- 分区引导扇区
- 跳转指令，跳转到启动代码，与平台相关
- 文件卷头
- 启动代码，跳转到加载程序
- 结束代码
- 加载程序
