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title: "《操作系统》操作系统发展历程"
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date: 2022-12-29T20:53:40+08:00
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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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1. 用户独占全机，虽然不会出现因资源已被用户占用而等待的现象，但资源利用率极低
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2. CPU等待手工操作，CPU利用不充分
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### 批处理阶段
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#### 单道批处理系统
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主要在解决人机矛盾及CPU和I/O设备不匹配的问题
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特征：
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1. 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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2. 顺序性，磁带上的各道作业顺序地进入内存
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3. 单道性，内存中仅有一道程序运行
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#### 多道批处理系统
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多道程序设计的特点是多道、宏观上并行，微观上串行
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1. 多道。计算机内存中同时存放多道相互独立的程序
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2. 宏观上并行。同时进入系统的多道程序都出于运行过程中，即先后开始各自运行但都未运行完毕
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3. 微观上串行。内存中的多道程序轮流占有CPU，交替执行
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优点：
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资源利用率高，多道程序共享计算机资源，从而使各种资源得到充分利用；系统吞吐量打，CPU和其他资源保持“忙碌”状态
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缺点：
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用户响应时间较长；不提供人机交互能力，用户既不能了解自己的程序的运行情况，又不能控制计算机
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### 分时操作系统
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分时操作系统是指多个用户通过终端同时共享一台主机，用户可以同时与主机进行交互操作而互不干扰
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特征：
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1. 同时性
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2. 交互性，用户能够方便进行人机对话
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3. 独立性，多个用户可以彼此独立地进行操作
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4. 及时性，用户请求能在很短的时间内响应
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### 实时操作系统
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根据响应时间限制分为两种：
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1. 硬实时系统：某个动作必须绝对地在规定的时刻发生
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2. 软实时系统：能够接受偶尔违反时间规定的情况且不会引起任何永久性的损害
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特点：
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1. 及时性
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2. 可靠性
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### 网络操作系统和分布式计算机系统
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title: "《操作系统》操作系统的基本概念"
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date: 2022-08-18T15:53:40+08:00
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## 知识框架
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* 概论
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* 特征
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* 并发(最基本)
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* 共享(最基本)
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* 虚拟
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* 异步
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* 目标和功能
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* 计算机系统资源管理者
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* 扩充机器
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* 用户与计算机系统之间的接口
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* 命令接口
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* 程序接口
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* GUI
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* 发展
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* 批处理操作系统$\rightarrow$分时操作系统$\rightarrow$实时操作系统$\rightarrow$网络和分布式操作系统
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* 运行机制
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* 中断和异常
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* 系统调用
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* 体系结构
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* 大内核
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* 微内核
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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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操作系统是只控制和管理整个计算机系统的硬件与软件资源，合理地组织、调度计算机的工作与资源的分配，进而为用户和其他软件提供方便接口与环境的程序集合。
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操作系统是计算机系统中最基本的系统软件
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### 操作系统的特征
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基本特征包括并发、共享、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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||||
操作系统的并发性指计算机系统中同时存在多个运行的程序，因而具有处理和调度多个程序同时执行的能力。
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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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||||
1. 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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||||
2. 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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||||
互斥式共享：
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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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---------------------------
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||||
并发和共享是操作系统两个最基本的特征，两者互为存在的条件：
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||||
1. 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
|
||||
2. 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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||||
#### 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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||||
操作系统中采用了多种虚拟技术来实现虚拟处理器、虚拟内存和虚拟外部设备等
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||||
虚拟技术可归纳为：
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||||
1. 时分复用技术，如处理器的分时共享
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||||
2. 空分复用技术，如虚拟存储器
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||||
#### 异步
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||||
程序的异步性：
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||||
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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||||
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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|
||||
进程管理的主要功能：
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||||
1. 进程控制
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||||
2. 进程同步
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||||
3. 进程通信
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||||
4. 死锁处理
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||||
5. 处理机调度
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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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||||
1. 内存分配与回收
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||||
2. 地址映射
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3. 内存保护与共享
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||||
4. 内存扩充
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||||
* 文件管理
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||||
负责文件管理的部分称为文件系统
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||||
主要功能：
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||||
1. 文件存储空间的管理
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2. 目录管理
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||||
3. 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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||||
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||||
1. 缓冲管理
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||||
2. 设备分配
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||||
3. 设备处理
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||||
4. 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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##### 命令接口
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* 联机命令接口
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||||
联机命令接口又称为交互式命令接口，适用于分时或实时系统的接口
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||||
可由用户在控制台或终端输入命令，经命令解释程序解释并执行后，控制权再转交回控制台或终端，这一过程往往强调交互性
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常见为 命令提示符中输入单条指令
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||||
* 脱机命令接口
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||||
脱机命令接口又称为批处理命令接口，适用于批处理系统
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||||
脱机用户不能干预作业运行，事先使用作业控制命令编写"命令清单"，系统调度到该作业时，命令解释程序逐条解释并执行，从而间接控制作业的进行
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常见为 使用命令编写脚本后运行
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##### 程序接口
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该接口由一组系统调用组成，用户通过在程序中使用这些系统调用来请求操作系统为其提供服务
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常见为用户图形界面(GUI)，如linux的KDE桌面
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#### 操作系统用作扩充机器
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没有任何软件支持的计算称为裸机，它仅是计算机系统的物质基础。操作系统提供的资源管理功能和方便用户的各种服务功能，将裸机改造成功能更强，使用更方便的机器
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通常将覆盖了软件的机器称为扩充机器或虚拟机
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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
|
||||
* 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
|
||||
* 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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||||
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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
|
||||
|
||||
* 异步性导致的问题：
|
||||
|
||||
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
|
||||
|
||||
### 操作系统的目标和功能
|
||||
|
||||
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
|
||||
|
||||
1. 处理机管理、存储器管理、设备管理和文件管理
|
||||
2. 需向用户提供接口以方便用户使用
|
||||
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
|
||||
|
||||
|
||||
#### 操作系统作为计算机系统资源的管理者
|
||||
|
||||
* 处理机管理
|
||||
* 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
|
||||
* 主要功能
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||||
* 进程控制
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||||
* 进程同步
|
||||
* 进程通信
|
||||
* 死锁处理
|
||||
* 处理机调度
|
||||
* 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
|
||||
* 存储器管理
|
||||
* 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
|
||||
* 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
|
||||
* 设备管理
|
||||
* 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
|
||||
* 主要功能
|
||||
* 缓冲管理
|
||||
* 设备分配
|
||||
* 设备处理
|
||||
* 虚拟设备
|
||||
#### 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
|
||||
* 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
|
||||
* 软件使用接口
|
||||
* 程序接口(系统调用)
|
||||
|
||||
#### 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
|
||||
|
||||
用户在计算机上的所有计算流程都要人工干预
|
||||
|
||||
#### 缺点
|
||||
|
||||
* 用户独占全机，资源利用率低
|
||||
* 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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||||
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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
|
||||
* 顺序性，磁带上的各道作业顺序地进入内存
|
||||
* 单道性，内存中仅有一道程序运行
|
||||
|
||||
#### 缺点
|
||||
|
||||
* 资源利用率低，吞吐量小
|
||||
|
||||
|
||||
### 多道批处理系统
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||||
|
||||
#### 定义
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||||
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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
|
||||
* 多道性则是为了提高系统利用率和吞吐量
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||||
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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
|
||||
* 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
|
||||
* 及时性，用户请求能在很短的时间内响应
|
||||
|
||||
#### 优点
|
||||
|
||||
* 提供人机交互能力
|
||||
|
||||
#### 缺点
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||||
|
||||
* 不能在规定的时间内做出处理
|
||||
|
||||
### 实时操作系统
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||||
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||||
#### 定义
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||||
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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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||||
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||||
#### 特点
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||||
|
||||
* 分布性
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||||
* 并行性
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||||
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||||
### 分布式计算机系统
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||||
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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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---------------
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||||
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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
|
||||
* 优点
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* 便于调试和验证，自底向上逐层调试验证
|
||||
* 易扩充和维护，各层间调用接口清晰固定
|
||||
* 缺点
|
||||
* 仅可调用相邻低层，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
|
||||
* 特性
|
||||
* 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
|
||||
* 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
|
||||
* 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
|
||||
* 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
|
||||
* 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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Binary file not shown.
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