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title: "《操作系统》计算机系统概述"
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date: 2022-08-18T15:53:40+08:00
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## 操作系统的基本概念
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### 操作系统的概念
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* 负责管理协调硬件、软件等计算机资源的工作
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* 操作系统为上层用户，应用程序提供简单易用的服务
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* 操作系统是一种系统软件
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### 操作系统的特征
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* 并发和共享是最基本的两个性质
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* 并发和共享互为存在条件
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* 资源共享是以程序的并发为条件的，若系统不允许程序并发执行，则自然不存在资源共享问题
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* 若系统不能对资源共享实施有效的管理，则必将影响到程序的并发执行，甚至根本无法并发执行
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* 没有并发和共享就谈不上虚拟和异步
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#### 并发
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* 并发指两个或多个事件在同一时间间隔内发生
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* 并行：系统具有同时进行运算或操作的特性(同时刻)
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* 可并行的有【处理机与设备】【处理机与通道】【设备与设备】
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* 不可并行的有【进程与进程】
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* 真正实现并行的为多核处理机
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同一时间间隔（并发）和同一时刻（并行）的区别：
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* 宏观上有多道程序同时进行，微观上这些程序依旧是分时交替执行的，操作系统的并发性正是分时得以实现的
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* 并行性则是具有同时进行运算或操作的特性，同一时刻能完成两种或两种以上的工作，需要硬件的支持
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#### 共享
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共享通常指系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程共同使用，拥有两种资源共享方式
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* 互斥共享方式
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当进程A访问某个资源时，必须先提出请求，若此时该资源空闲，则系统将其分配给进程A使用，此后有其他进程也要访问该资源时，就必须等待。仅当进程A访问完并释放该资源后，才允许另一个进程对该资源进行访问。
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临界资源(独占资源)：
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一段时间内只允许一个进程访问的资源
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互斥共享要求一种资源在一段时间内(哪怕是很小的时间)只能满足一个请求，否则就会出现严重的问题
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* 同时访问方式
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宏观上存在一些资源允许多个进程同时访问，微观上这些进程是交替地对该资源进行访问，即分时共享
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#### 虚拟
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虚拟是指把一个物理上的实体变为若干逻辑上的对应物。
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* 时分复用技术，如处理器的分时共享
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* 空分复用技术，如虚拟存储器
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#### 异步
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* 程序异步性：多道程序环境允许多个程序并发执行，但由于资源有限，进程执行并非一贯到底，而是走走停停，以不可预知的速度向前推进
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* 异步性导致的问题：
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异步性会使操作系统运行在一种随机的环境下，可能导致进程产生与时间有关的错误。然而在运行环境相同的情况下，操作系统就需要保证多次运行进程后得到的结果相同
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### 操作系统的目标和功能
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操作系统应具有以下功能来给多道程序提供良好的运行环境
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1. 处理机管理、存储器管理、设备管理和文件管理
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2. 需向用户提供接口以方便用户使用
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3. 可用于扩充机器来提供更方便的服务、更高的资源利用率
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#### 操作系统作为计算机系统资源的管理者
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* 处理机管理
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* 在多道程序环境下，处理机的分配和运行都以进程(线程)为主要单位
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* 主要功能
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* 进程控制
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* 进程同步
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* 进程通信
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* 死锁处理
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* 处理机调度
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* 处理机的管理可归结为对进程的管理，因此进程创建、撤销、管理、避免冲突、合理共享就是进程管理的主要任务
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* 存储器管理
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* 存储器管理用于给多道程序的运行提供良好环境，便于用户使用及提高内存利用率
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* 主要功能：
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* 内存分配与回收
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* 地址映射
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* 内存保护与共享
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* 内存扩充
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* 文件管理
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* 计算机的信息都是以文件的形式存在的
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* 文件存储空间的管理
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* 目录管理
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* 文件读写管理和保护
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* 设备管理
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* 主要任务是完成用户I/O请求，方便用户使用设备，提高设备利用率
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* 主要功能
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* 缓冲管理
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* 设备分配
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* 设备处理
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* 虚拟设备
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#### 操作系统作为用户与计算机硬件系统之间的接口
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* 用户使用接口
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* GUI用户界面接口
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* 命令接口
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* 联机命令接口：用户发送一次命令，系统执行一次，主要是交互性，适用于分时或实时系统
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* 脱机命令接口：用户一次性发送命令清单，系统按清单执行，无法中途干预，适用于批处理系统，可解决独占问题
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* 软件使用接口
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* 程序接口(系统调用)
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#### 操作系统用作扩充机器
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* 裸机：没有任何软件支持的计算机
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* 扩充机器/虚拟机：覆盖了软件的机器
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## 操作系统发展历程
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### 手工操作阶段
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用户在计算机上的所有计算流程都要人工干预
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#### 缺点
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* 用户独占全机，资源利用率低
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* CPU等待手工操作，CPU利用不充分
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### 单道批处理系统
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#### 定义
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* 程序封闭性，程序执行的结果只取决与进程本身，不受外界影响
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* 失去封闭性后，不同速度下的进程执行结果不同
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#### 特点
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* 自动性，顺利的情况下，同一磁带上的同一批作业能够自动逐个运行
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* 顺序性，磁带上的各道作业顺序地进入内存
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* 单道性，内存中仅有一道程序运行
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#### 缺点
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* 资源利用率低，吞吐量小
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### 多道批处理系统
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#### 定义
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* 批处理：允许多个用户将若干作业提交给计算机系统集中处理
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* 多道性则是为了提高系统利用率和吞吐量
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#### 特点
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* 多道，共享性，宏观上并行，微观上串行
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* 引入多道后，系统失去封闭性和顺序性
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* 制约性，程序执行因为共享资源和协同所有产生了竞争，相互制约
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* 考虑竞争的公平性，程序断续执行
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#### 优点
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* 资源利用率高
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* 系统吞吐量大
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* CPU利用率高
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* IO设备利用率高
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#### 缺点
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* 用户响应时间长
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* 不提供人机交互能力（用户无法干预批处理作业）
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### 分时操作系统
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#### 定义
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* 允许多个用户以交互的方式使用计算机的操作系统
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* 快速响应用户（分时系统产生原因）
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* 响应时间 = 时间片*用户
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* 进度调度通常采用抢占式的优先级优先
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#### 特点
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* 同时性
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* 交互性，用户能够方便进行人机对话
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* 独立性，多个用户可以彼此独立地进行操作
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* 及时性，用户请求能在很短的时间内响应
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#### 优点
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* 提供人机交互能力
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#### 缺点
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* 不能在规定的时间内做出处理
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### 实时操作系统
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#### 定义
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* 在该操作系统下，计算机系统能够及时处理过程控制反馈的数据并给出响应
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#### 特点
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* 硬实时系统：必须在绝对严格的时间内完成处理（自动驾驶系统）
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* 软实时系统：能接受偶尔违反时间规定（订票系统）
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#### 优点
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* 安全可靠
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* 及时处理
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* 快速处理
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### 网络操作系统和分布式计算机系统
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#### 特点
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* 分布性
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* 并行性
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### 分布式计算机系统
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#### 特点
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* 网络中各种资源的关系
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* 网络中各计算机间的通信
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## 操作系统结构
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* 分层结构
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* 特性
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* 内核分多层，每层可单向调用更低一层提供的接口
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* 优点
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* 便于调试和验证，自底向上逐层调试验证
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* 易扩充和维护，各层间调用接口清晰固定
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* 缺点
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* 仅可调用相邻低层，难以合理定义各层边界
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* 效率低，不可跨层调用，系统调用执行时间长
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* 模块化
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* 特性
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* 内核 = 主模块 + 可加载内核模块
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* 主模块只负责核心功能，如进程调度，内存管理
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* 可加载内核模块：可动态加载新模块到内核，无需重新编译整个内核
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* 优点
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* 模块间逻辑清晰易维护，确定模块间接口后即可多模块同时开发
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* 支持动态加载新内核模块（如：安装设备驱动程序），增强OS适应性
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* 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
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* 缺点
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* 模块间的接口定义未必合理，实用
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* 模块间相互依赖，更难调试和验证
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* 宏内核
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* 特性
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* 所有的系统功能都放在内核里
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* 优点
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* 性能高，内核内部各种功能都可以直接相互调用
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* 缺点
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* 内核庞大功能复杂，难以维护
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* 大内核中某个功能模块出错，就可能导致整个系统崩溃
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* 微内核
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* 特性
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* 只把中断，原语，进程通信等最核心的功能放入内核，进程管理，文件管理，设备管理等功能以用户进程的形式运行在用户态
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* 优点
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* 内核小功能少，易于维护，内核可靠性高
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* 内核外的某个功能模块出错不会导致整个系统崩溃
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* 缺点
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* 性能低，需要频繁切换用户/核心态，用户态下的各功能模块不可直接互相调用，只能通过内核的消息传递来间接通信
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* 外核(exokernel)
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* 特性
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* 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
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* 优点
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* 外核可直接给用户分配不虚拟，不抽象的硬件资源，使用户进程可以更灵活地使用硬件资源
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* 减少虚拟硬件资源的映射层，提升效率
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* 缺点
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* 降低系统的一致性
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* 使系统更加复杂
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## 操作系统引导
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### 启动过程
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1. CPU加电，CS:IP指向FFFF0H
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2. 执行JMP指令跳转到BIOS
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3. 登记BIOS中断例程入口地址
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4. 硬件自检
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5. 进行操作系统引导
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### 引导流程
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