王道操作系统笔记（一）—— 操作系统概述

- 日理万妓 2023-10-11 20:28 15阅读 0赞

#### 文章目录 ####

*  一、操作系统基本概念
 *   *  1.1 基本概念
     *  1.2 四大特征
     *  1.3 目标和功能
 *  二、操作系统的分类与发展
 *  三、操作系统的运行环境
 *   *  3.1 运行机制
     *  3.2 中断和异常
     *  3.3 系统调用
 *  四、操作系统的体系结构
 *   *  4.1 宏内核与微内核
     *  4.2 分层结构
     *  4.3 模块化
     *  4.4 外核
 *  五、操作系统引导
 *  六、虚拟机

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## 一、操作系统基本概念 ##

### 1.1 基本概念 ###

操作系统（Operating System， OS）是指 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；以提供给用户和其他软件方便的接口和环境；它是计算机系统中最基本的 系统软件。

### 1.2 四大特征 ###

并发、共享、虚拟、异步。

1.  **并发**：是指 同一时间间隔 内发生。
2.  **共享**：即资源共享。分为：互斥共享方式和同时共享方式：
3.  **虚拟**：是指把一个物理上的实体变为若干逻辑上的对应物。
4.  **异步**：多道程序下进程并发执行，由于资源有限，进程的执行不是一次执行完，而是走走停停的，以不可预知的速度向前推进。
    
    > **注意：** ① **并发只在同时发生，微观上是交替发生。**  
    >     ② **并发** 是指 同一时间间隔 内发生，**并行** 是指 同一时刻 发生。  
    >     ③ 单核 cpu 同一时刻只能执行一个程序，各程序只能并发执行；  
    >      多核 cpu 同一时刻可同时执行多个程序，多个程序可并行执行。  
    >     ④ **并发与共享**是两个 最基本的特征，二者互为存在条件。  
    >     ⑤ 共享分为：互斥共享方式和同时共享方式：  
    >      **互斥共享方式**：在一段时间内只允许一个进程访问该资源。  
    >      **同时共享方式**：允许在一段时间内有多个进程同时访问。  
    >     ⑥ **虚拟技术** 分为：空分复用技术（如虚拟存储器技术）和时分复用技术（如虚拟处理器技术）

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### 1.3 目标和功能 ###

1.  **作为系统资源的管理者**
    
    > 提供功能：处理机管理、存储器管理、文件管理、设备管理  
    > 目标：安全、高效
2.  **向上层提供方便易用的服务**
    
    > 给 **一般用户** 直接 使用的接口：  
    >    图形接口：如 GUI  
    >    命令接口：联机命令接口、脱机命令接口（区别在于一行和一堆）
    
    > 给 **应用程序/编程人员** 使用的接口：  
    >    程序接口（系统调用），即通过程序 间接 使用。
3.  **最接近硬件的软件**  
      
     ![在这里插入图片描述][49288adcf98b4e2a88295ba13df15d1d.png_pic_left]

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## 二、操作系统的分类与发展 ##

![353c42f4ce9a468585b9e26e0857136b.png_pic_left][]

**单道批处理与多道批处理的区别：**

![在这里插入图片描述][a8e3ed9f1e9240cf90672a43577efb2e.png_pic_left]  
  注：多道批处理的并行，对于单核cpu指的是I/O与CPU并行。

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## 三、操作系统的运行环境 ##

### 3.1 运行机制 ###

1.  **两种指令**：特权指令 和 非特权指令  
    操作系统内核作为 “管理者”，有时会让CPU执行一些特权指令，这些指令只允许 “管理者” 来执行。
    
    >  常见的特权指令：  
    >  ① 开中断指令、关中断指令  
    >  ② 写时钟指令（置时钟指令）  
    >  ③ 写入/输出指令（I/O指令）  
    >  ④ 写 PSW 寄存器指令（访问程序状态指令）  
    >  ⑤ 内存清零指令
2.  **两种处理器状态**：内核态 和 用户态  
    处于内核态时，说明正在运行的是内核程序，即可执行特权指令，又可执行非特权指令。  
    处于用户态时，说明正在运行的是应用程序，只能执行非特权指令。  
    其中，内核态又称目态，内核态又称管态。
    
    > **内核态→用户态：** 一条修改 PSW 的特权指令。  
    > **用户态→内核态：** 由中断引起，硬件自动完成。触发中断信号意味着 OS 将强行夺回CPU的使用权。  
    >  如：① 请求系统内核服务，CPU在用户态下执行陷入指令，引发中断，意味着应用程序主动将 CPU 控制权还给操作系统。  
    >    ② 试图在用户态下执行特权指令，引发 OS 变成内核态，夺回 CPU 使用权等
    
    注：陷入指令 = 访管指令 = trap指令
3.  **两种程序**：内核程序 和 应用程序
4.  **三者关系：**操作系统的内核程序，即可运行特权指令，又可运行非特权指令，程序运行在核心态。普通应用程序只能运行非特权指令，运行在用户态。
    
    `注：中断处理程序一定是内核程序，其运行在内核态。`

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### 3.2 中断和异常 ###

中断是让操作系统夺回CPU使用权的唯一途径。

1.  **中断的分类：**  
    ![在这里插入图片描述][faf194c0fdfa49baa16edae3c41fa0df.png_pic_left]  
    注：故障（Fault）和自陷（Trap）统称为 **软件中断**，终止（Abort）是 **硬件中断**。
2.  **中断机制的基本实现原理：**
    
    > 1. **检查中断信号：**  
    >    内中断：CPU在执行指令时，会检查是否有异常发生。  
    >    外中断：每个指令周期末尾，CPU都会检查是否有外中断信号需处理。  
    > 2. **找到相应的中断处理程序：**  
    >    硬件向量法（中断向量法）、软件查询法
3.  **中断处理时保存的数据：**
    
    >  1. **硬件负责：**PC、PSW  
    > 2. **OS负责：**其他有 “必要” 保存的数据（如：通用寄存器）、中断屏蔽字  
    >       若此类寄存器在中断处理中不使用，则不用保存。
4.  **中断处理完整流程：**
    
    > ① 当 CPU 检测到中断信号后，由硬件自动保存被中断程序的断点（即程序计数器 PC）。  
    > ② 硬件找到该中断信号对应的中断向量，中断向量指明中断服务程序入口地址（各中断向量统一存放在中断向量表中，该表由操作系统初始化）。  
    > ③ 开始执行中断服务程序，保存 PSW、中断屏蔽字、各通用寄存器的值，并提供与中断信号对应的中断服务，中断服务程序属于操作系统的内核。
    
    `操作系统完成： 提供中断服务、初始化中断向量表、保存中断屏蔽字（来源：20年408第25题）`

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### 3.3 系统调用 ###

系统调用是操作系统给 **编程人员/应用程序** 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。

1.  **系统调用与库函数的区别：**  
    库函数有时会对系统调用进行封装，以隐藏系统调用的一些细节，如“创建一个新文件”的函数。但也存在不涉及系统调用的库函数，如“取绝对值”的函数。编程人员调用库函数，会使得编程更加方便。
2.  **涉及系统调用的功能：**  
    应用程序通过系统调用请求操作系统的服务。而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，由操作系统内核代为完成。这样可以保证系统的稳定性和安全性，防止用户进行非法操作。
3.  **系统调用过程：**  
    ![在这里插入图片描述][2fd18758017a4cdda3a18d0b825b0250.png_pic_left]
    
    > **过程：** 传递系统调用参数 **→** 执行陷入指令（用户态）**→** 执行相应的内请求核程序处理系统调用（内核态）**→** 返回应用程序  
    > **注意：** ① 陷入指令  是在 用户态 执行的，执行陷入指令之后立即引发一个 内中断，使CPU进入 核心态  
    >     ② 发出系统调用请求是在 用户态，而对系统调用的相应处理在 核心态 下进行  
    >     ③ 陷入指令 = 访管指令 = trap指令

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## 四、操作系统的体系结构 ##

### 4.1 宏内核与微内核 ###

1.  **操作系统的内核**  
    ![在这里插入图片描述][281579cebd974dbaab78565f122c585a.png_pic_left]
    
    > 注：① 宏内核，又名：大内核、单内核  
    >   ② 操作系统内核需要运行在内核态  
    >   ③ 操作系统的非内核功能运行在用户态
2.  **操作系统内核功能**  
    ![在这里插入图片描述][89e65899af804d65bd6d260f2c80f261.png_pic_left]
    
    1.  **宏内核与微内核对比**  
        若应用程序的一个服务处理同时涉及进程管理、存储管理、设备管理，宏内核需要 2 次 “变态”，而微内核需要 6 次 “变态”。  
        ![在这里插入图片描述][65472c4f68734702b040ed967a446036.png_pic_left]  
        注：处理器两种状态之间的转换是有成本的。  
        ![在这里插入图片描述][9e596b3e082545afa641ace8f854e958.png_pic_left]

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### 4.2 分层结构 ###

分层法是将操作系统分为若干层，最底层是硬件，最高层是用户接口，煤层智能调用紧邻它的低层的功能和服务（单向依赖）。

![在这里插入图片描述][1bc980af35094bc695a8023301b0a411.png_pic_left]

> **优点：** ① 便于调试和验证，自底向上逐层调试验证。  
>     ② 易扩充和易维护，各层之间调用接口清晰固定。  
> **缺点：** ① 仅可调用相邻低层，难以合理定义各层的边界。  
>     ② 效率低，不可跨层调用，系统调用执行时间长。

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### 4.3 模块化 ###

模块化是将操作系统按功能划分为若干个具有 一定独立性的模块，各模块之间相互协作。

> **内核 = 主模块 + 可加载内核模块**  
> 主模块：只负责核心功能，如：进程调度、内存管理等  
> 可加载内核模块：可以动态加载新模块到内核而无需重新编译整个内核，如：设备驱动程序

![在这里插入图片描述][dcf340250b6f448e9ffab0cc1936ba28.png_pic_left]

> **优点：** ① 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。  
>     ② 支持动态加载新的内核模块(如:安装设备驱动程序、安装新的文件系统模块到内核)，增强OS适应性。  
>     ③ 任何模块都可以直接调用其他模块，无需采用消息传递进行通信，效率高。  
> **缺点：** ① 模块间的接口定义未必合理、实用。  
>     ② 模块间相互依赖，更难调试和验证。

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### 4.4 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，且由外核负责保证资源使用安全。

> **优点：** ① 外核可直接给用户进程分配 “不虚拟、不抽象” 的硬件资源，使用户进程可以更灵活的使用硬件资源。  
>     ② 减少了虚拟硬件资源的 “映射层”，提升效率。  
> **缺点：** ① 降低了系统的一致性。  
>     ② 使系统变得更加复杂。

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## 五、操作系统引导 ##

![在这里插入图片描述][80711421a2c64dc785b4fd457c2a8e8e.png]

> **引导流程：**  
> ① 激活的 CPU 读取 ROM 中的自举程序，开始执行 BIOS 程序中的指令，并开始进行硬件自检。  
> ② 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，其会扫描分区表，得知活动分区位置。  
> ③ 从活动分区（又称主分区，即安装了操作系统的分区 C盘）读入分区引导记录 PBR，执行其中的程序，负责找到 “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，完成开机的一系列动作。

`注：操作系统最终被加载到 RAM 中。`

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## 六、虚拟机 ##

![在这里插入图片描述][babb5d7bec774542a42669e1fd185de3.png]  
**理解：** 第一类操作系统直接运行在硬件之上，第二类操作系统类似在 win 系统下安装的 VMware 软件。

![在这里插入图片描述][d3782179bd5f4db2b6b59b4a3a5dbde8.png_pic_left]

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