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复习纲要 ​

这里是 Bolaxious 的操作系统复习纲要，教材为《操作系统原理（慕课版）》（苏曙光），分九个章节：概述、硬件基础、用户界面、进程管理、死锁、进程调度、存储管理、设备管理、文件管理。

概要 ​

操作系统提供了这些直观的基本功能：提供操作界面、控制程序运行、管理系统资源、配置系统参数、监控系统状态、工具软件集合。

定义 ​

操作系统是一个大型的程序系统，它负责计算机系统软件/硬件资源的分配；控制和协调并发活动；提供用户接口，使用户获得良好的工作环境。简而言之就是：管理调度资源、提供用户接口。

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上图展示了操作系统的地位。

这也就要求并赋予了操作系统以特性：具有同时处理多个任务的能力、为多个并发任务提供资源共享、具有处理随机事件(中断)的能力，简言之就是：并发性、共享性、不确定性

至于发展历史，我们在此略过。

功能 ​

资源管理是操作系统的主要任务，从这个观点来分析操作系统的功能可以分为四个基本功能：处理机管理、存储管理、设备管理、文件管理

处理机管理/进程管理 ​

我们先要了解“进程”的概念：

OS 会在任何时候和任何地点暂停或继续任何程序的运行。在并发环境下，“程序”不足以描述程序的运行过程并确保运行结果的正确，故而我们需要引入进程来确保程序的独立运行。

处理机的具体功能包括：

  • 进程控制：创建，暂停，唤醒，撤销
  • 进程调度：调度策略，优先级
  • 进程通信：进程间通信

存储管理/内存管理 ​

具体功能包括：

  • 内存分配
  • 内存共享
  • 内存保护
  • 内存扩充
  • 虚拟内存

设备管理 ​

设备管理的具体功能包括：

  • 设备的分配和回收
  • 设备的驱动机制/传输控制
  • 为应用提供统一接口访问设备
    • 设备无关性
  • 高效存取设备/缓冲机制

文件管理 ​

文件管理为用户提供统一的文件存取接口，高效组织存储空间，提高存取效率，实现信息共享和存取控制。

我们可以这样理解：文件是设备的抽象

具体功能包括：

文件用户接口

  • 存储空间管理
  • 文件的操作
  • 目录的操作
  • 存取权限管理

性能 ​

我们可以从下面几个指标来评价操作系统的性能

  • 吞吐率
    • 在单位时间内处理信息的能力。
  • 资源利用率
    • 设备(CPU)使用的频度
  • 响应能力
    • 从接收数据到输出结果的时间间隔。
  • 可移植性
    • 改变硬件环境仍能正常工作的能力:代码修改量（为了适配新的硬件需要做一定的修改工作，也就是移植，如果抽象和通用的接口多，那么代码修改量就会小很多，可移植性就越高）
  • 可靠性
    • 发现、诊断和恢复系统故障的能力。

发展历史 ​

操作系统发展的四个典型阶段

  • 手工操作(无操作系统)（40 年代-50 年代初）
  • 单道批处理系统（ 50 年代）
  • 多道批处理系统（60 年代初）
  • 分时操作系统（60 年代中-至今）

手工操作时期，用户依靠卡片/纸带和计算机交互，CPU 利用率低、用户独占且缺少交互；

单道批处理系统随着 IBM7094 晶体管计算机而出现，它的工作过程是管理员将多个作业输入到磁盘形成作业队列；监控程序（操作系统）依次自动处理磁盘中每个作业：装入—运行—撤出—装入—运行—撤出并循环；运行完毕，通知用户取结果，不过这种方式仍然效率较低。

多道批处理系统进行了改进：内存中存放多道程序,当某道程序因为某种原因（例 如请求 I/O 时）不能继续运行时，监控程序/OS 便调度另一道程序投入运行，这样使 CPU 尽量处于忙碌状态，提高系统效率。多道技术是现代操作系统的雏形。

TIP

  • 时分：分成多个时段：不同程序错开时段使用。
  • 空分：分成多个单元：不同程序使用不同单元。

分时操作系统的核心概念是“时间片”（较短的时间长度），主机以很短的时间片为单位，把 CPU 轮流分配给各个终端(作业)使用，直到全部作业被运行完。Unix/Linux/Windows 都是分时操作系统。

分时操作系统目前有了更多的衍化：实时操作系统/嵌入式操作系统、微机操作系统（PC 机操作系统）、多处理机操作系统、网络操作系统、分布式操作系统、嵌入式操作系统。

逻辑结构 ​

逻辑结构也就是 OS 的设计和实现思路，分为：整体式结构、层次式结构、微内核结构。

整体式结构 OS ​

整体式结构以模块为基本单位构建，每个模块都有特定的功能。Unix/Linux 就是典型的整体式 OS。

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整体式结构的优点如下：

  • 模块设计、编码和调试独立
  • 模块之间可以自由调用

层次式结构 ​

层次式结构将操作系统的功能模块按调用次序排若干层，保证各层单向依赖或单向调用。

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分层原则如下：

  • 最底层：硬件相关
  • 最顶层：用户策略/用户交互
  • 中间层：按调用次序/消息传递顺序
  • 较低层：共性的、活跃的服务

优点是：

  • 结构清晰，避免循环调用。
  • 整体问题局部化，系统的正确性容易保证。
  • 有利于操作系统的移植、维护、扩充。

微内核结构（客户/服务器结构） ​

操作系统 = 微内核 + 核外服务器

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微内核体积较小，完成的是操作系统基本的核心功能和服务；

核外服务器完成OS的绝大部分功能，等待应用程序提出服务请求。它由若干服务器或进程共同构成。

硬件基础 ​

计算机的硬件结构主要包括：CPU、内存、外设，三者通过地址/数据/控制三条总线相连接，3条总线通过时序变换执行指令，从而实现程序的执行。

而操作系统依赖的最基本硬件为：CPU、内存、时钟、中断。

CPU与CPU的态 ​

CPU（Central Processing Unit）即中央处理器，它的功能主要是按照一定的逻辑流程分析和执行指令流。

CPU再逻辑上可以划分为3个单元：分别为控制单元、运算单元和寄存器单元

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为CPU设定态的目的在于为系统建立安全机制，不同的态支持程序使用不同的指令集和资源。故而我们需要了解一下操作系统需要考虑的安全问题，才能更好的理解设计态的理由。

操作系统需要考虑的安全问题

目前OS的多道程序设计技术的特点是：多进程并发/资源共享，所以我们需要考虑到：

  • 防止进程的信息被非法访问
  • 防止进程随意存取系统资源
  • 防止进程修改系统安全机制

提出的解决策略为：

  • 对于软件，分级/分类（例如分为可信软件和不可信软件）
    • 对于可信软件
      • 可以修改安全保护机制
      • 可以存取系统资源
      • 拥有普通指令集 + 特权指令集
  • 对于硬件，分模式（设置访问屏障）
    • 模式（态）：描述指令使用和资源访问的权限

特权级

Intel x86架构的CPU支持 Ring0~3 的特权级，权限逐次降低，Unix/Linux/Windows 只使用了0和3两种特权级。

对于CPU的态，分类为3种：

  • 核态(Kernel mode)
    • 能够访问所有资源和执行所有指令
    • 管理程序/OS内核
  • 用户态 (User mode,目态)
    • 仅能访问部分资源，其它资源受限
  • 管态(Supervisor mode)，它介于核态和用户态之间。

通过设置模式位表示态，CPU就能通过它来进行权限判断，从而保证系统安全。

用户态和核态之间的转换：

  • 用户态向核态转换
    • 用户请求OS提供服务
    • 用户进程产生错误（内部中断）
    • 用户态企图执行特权指令
    • 发生中断
  • 核态向用户态转换的情形
    • 一般是中断返回：IRET

特权指令包括：

  • 涉及外部设备的输入/输出指令
  • 修改特殊寄存器的指令
  • 改变机器状态的指令

内存 ​

内存也叫主存，分为只读存储器-ROM、随机存储器-RAM和高速缓存存储器-Cache三种。

ROM主要存BIOS之类的系统程序（因为它不可读）

RAM是内存条。

Cache位于CPU和内存之间，用来缓存内存中的某一小部分数据。

时钟 ​

计算机设置有一个硬件定时器，能够定时向处理器发出时间信号，帮助处理一些依赖时间概念的地方。

中断机制 ​

中断是指CPU对突发的外部事件的反应过程或机制，CPU收到外部信号（中断信号）后，停止当前工作，转去处理该外部事件，处理完毕后回到原来工作的中断处（断点）继续原来的工作。

中断包括一些概念如：中断源、中断类型、断点、现场、现场处理，不过记不住，不写了。

中断响应过程如下：

  • 识别中断源
  • 保护断点
  • 保护现场(中断服务程序的前段)
  • 中断服务程序(主体)
  • 恢复现场(中断服务程序的末段)
  • 中断返回(恢复断点)

引入中断机制目的在于实现并发、实现实时处理、和自动处理故障。

BIOS ​

BIOS（基本输入输出系统）是被固化到计算机中的一组程序，提供最基础最直接的硬件操控，它的主要功能有以下四个：

  • 加电自检和初始化
  • 设置CMOS参数
  • 基本输入输出服务
  • 加载并引导操作系统启动

加电自检和初始化 ​

加电自检（Power On Slef-Test，POST）初始化基本硬件（CPU、内存、显卡），自检若由严重错误则停机、不严重故障则给出提示。

CMOS设置 ​

计算机加电引导过程中通过特殊热键进入到CMOS设置程序中，设置基本的系统参数：系统日期、时间、系统口令等等。

基本输入输出服务 ​

BIOS主要是为应用程序、操作系统提供硬件接口服务，例如显示字符串、读写磁盘等等。

基本输入输出处理程序是通过中断服务指令的形式来实现的，每组服务都有一个专门的中断号，BIOS使用的中断类型号为10H ~ 1FH，每组服务又分为不同子功能，用子功能编号标识。

使用案例：使用INT 13H软盘I/O类服务中的02H子功能读取软盘第21个扇区的内容到内存1000h：0000h处

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加载并引导操作系统启动 ​

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操作系统的启动过程 ​

从加电到用户工作环境准备好的过程分为三个阶段：初始引导、核心初始化、系统初始化，它们做的工作分别为：把OS内核装入内存并使之开始工作接管计算机系统、OS内核初始化系统的核心数据、为用户使用系统作准备，使系统处于待命状态

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这里简略了Linux的启动过程，包括MBR、GRUB的一些概念。

计算机虚拟化/虚拟机 ​

PPT上没有，略过。

操作系统的生成 ​

指根据硬件环境和用户需要，配置和构建操作系统的过程。

TIP

这里包括一个Linux编译内核并安装内核的实验

用户界面 ​

用户环境是指计算机用户工作的软件环境，包括命令行环境、桌面环境、相关的用户使用手册。

用户界面概念 ​

操作系统提供给用户控制计算机的机制(用户接口)，可分为操作界面（操作命令、批处理命令、图形用户界面）和系统调用（是提供给程序员在编程时使用的接口，取得操作系统服务的唯一途径）

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操作界面 ​

分为：

  • 图形用户接口/GUI
  • 操作命令（普通命令）
  • 批处理与脚本程序(bat、shell)

Linux典型命令

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shell编程指南

Bash:https://blog.csdn.net/qq_26690505/article/details/109361345

这里省略了重定向和管道命令，它们是特殊的操作命令，可以结合常规的操作命令来实现一些特殊的效果和功能。

系统调用 ​

系统调用(System Call，System Service Call)是操作系统内核为应用程序提供的服务/函数。例如：printf、exit、INT 21H等等

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