--- title: "《操作系统》计算机系统概述" date: 2022-08-18T15:53:40+08:00 --- ## 操作系统的基本概念 ### 操作系统的概念 * 负责管理协调硬件、软件等计算机资源的工作 * 操作系统为上层用户，应用程序提供简单易用的服务 * 操作系统是一种系统软件 ### 操作系统的特征 * 并发和共享是最基本的两个性质 * 并发和共享互为存在条件 * 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 #### 并发 * 并发指两个或多个事件在同一时间间隔内发生 * 并行：系统具有同时进行运算或操作的特性(同时刻) * 可并行的有【处理机与设备】【处理机与通道】【设备与设备】 * 不可并行的有【进程与进程】 * 真正实现并行的为多核处理机 同一时间间隔（并发）和同一时刻（并行）的区别： * 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 * 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 #### 共享 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 * 互斥共享方式 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。 临界资源(独占资源)： 一段时间内只允许一个进程访问的资源 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 * 同时访问方式 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 #### 虚拟 虚拟是指把一个物理上的实体变为若干逻辑上的对应物。 * 时分复用技术，如处理器的分时共享 * 空分复用技术，如虚拟存储器 #### 异步 * 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 * 进程控制 * 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： * 内存分配与回收 * 地址映射 * 内存保护与共享 * 内存扩充 * 文件管理 * 计算机的信息都是以文件的形式存在的 * 文件存储空间的管理 * 目录管理 * 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 * 用户使用接口 * GUI用户界面接口 * 命令接口 * 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 * 裸机：没有任何软件支持的计算机 * 扩充机器/虚拟机：覆盖了软件的机器 -------------------------------------------------------------------------------------- ## 操作系统发展历程 ### 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 ### 单道批处理系统 #### 定义 * 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 * 失去封闭性后，不同速度下的进程执行结果不同 #### 特点 * 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 #### 定义 * 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 #### 特点 * 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 * 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 * 考虑竞争的公平性，程序断续执行 #### 优点 * 资源利用率高 * 系统吞吐量大 * CPU利用率高 * IO设备利用率高 #### 缺点 * 用户响应时间长 * 不提供人机交互能力（用户无法干预批处理作业） ### 分时操作系统 #### 定义 * 允许多个用户以交互的方式使用计算机的操作系统 * 快速响应用户（分时系统产生原因） * 响应时间 = 时间片*用户 * 进度调度通常采用抢占式的优先级优先 #### 特点 * 同时性 * 交互性，用户能够方便进行人机对话 * 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 * 不能在规定的时间内做出处理 ### 实时操作系统 #### 定义 * 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 #### 特点 * 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） * 软实时系统：能接受偶尔违反时间规定（订票系统） #### 优点 * 安全可靠 * 及时处理 * 快速处理 ### 网络操作系统和分布式计算机系统 #### 特点 * 分布性 * 并行性 ### 分布式计算机系统 #### 特点 * 网络中各种资源的关系 * 网络中各计算机间的通信 --------------- ## 操作系统结构 * 分层结构 * 特性 * 内核分多层，每层可单向调用更低一层提供的接口 * 优点 * 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 * 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 * 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 * 模块间的接口定义未必合理，实用 * 模块间相互依赖，更难调试和验证 * 宏内核 * 特性 * 所有的系统功能都放在内核里 * 优点 * 性能高，内核内部各种功能都可以直接相互调用 * 缺点 * 内核庞大功能复杂，难以维护 * 大内核中某个功能模块出错，就可能导致整个系统崩溃 * 微内核 * 特性 * 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 * 优点 * 内核小功能少，易于维护，内核可靠性高 * 内核外的某个功能模块出错不会导致整个系统崩溃 * 缺点 * 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 * 外核(exokernel) * 特性 * 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 * 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 * 减少虚拟硬件资源的映射层，提升效率 * 缺点 * 降低系统的一致性 * 使系统更加复杂 ----------- ## 操作系统引导 ![](../../images/408/《操作系统》计算机系统概述/system_boot_pic.jpg) * 启动过程 1. CPU加电，CS:IP指向FFFF0H 2. 执行JMP指令跳转到BIOS 3. 登记BIOS中断例程入口地址 4. 硬件自检 5. 进行操作系统引导 * 引导流程 1. CPU从一个特定主存地址开始，取指令，执行ROM中的引导程序 2. 将磁盘的第一块主引导记录读入内存，执行磁盘引导程序，扫描分区表 3. 从活动主区（主分区）读入分区引导记录，执行其中的程序 4. 从根目录下找到完整的操作系统初始化程序并执行，完成开机的一系列操作 * 加电启动过程中执行程序的过程 * 自检程序 * 引导装入程序/自举装入程序 * 位于ROM，作为BIOS的组成部分 * 用于启动具体的设备 * 引导程序 * 位于装有操作系统硬盘的活动分区的引导扇区的程序 * 用于引导操作系统 * 操作系统 * 被装入RAM中 ----------- ## 虚拟机 使用虚拟化技术，将一台物理机器虚化为多台虚拟机器VM，每个虚拟机器都可用于独立运行一个操作系统 | | 第一类VMM(例：WSL) | 第二类VMM（VMWare） | |---|---|---| |对物理资源的控制权 | 直接运行在硬件之上，能直接控制和分配物理资源 | 运行在Host OS之上，依赖于Host OS 为其分配物理资源 | | 资源分配方式 | 安装Guest OS时，VMM要在原本的硬盘上自行分配存储空间，类似于外核的分配方式，分配未经抽象的物理硬件 | Guest OS 拥有自己的虚拟磁盘，该盘实际上是Host OS文件系统的一个大文件，Guest OS分配到的内存是虚拟内存 | | 性能 | 性能更好 | 性能更差，需要Host OS作为中介 | | 可支持的虚拟机数量 | 更多，不需要和Host OS竞争资源，相同的硬件资源可以支持更多的虚拟机 | 更少，Host OS 本身需要使用物理资源，Host OS上运行的其他进程也需要物理资源 | | 虚拟机的可迁移性 | 更差 | 更好，只需导出虚拟机镜像文件即可迁移到另一台Host OS上，商业化应用更广泛 | | 运行模式 | 运行在最高特权级（Ring 0 ）可以执行最高特权的指令 | 部分运行在用户态，部分运行在内核态，Guest OS发出的系统调用会被VMM截获，转化为VMM对Host OS的系统调用 | ## 操作系统运行的环境 ### 处理器运行的机制 * 程序运行原理 * 高级语言编写代码，转换为机器指令 * 程序运行过程就是CPU执行指令的过程 * 两种程序 * 内核程序 * 应用程序 * 两种指令 * 特权指令：不允许用户直接使用的指令 * 对I/O设备操作指令 * 获取特殊寄存器的指令 * 有关访问程序状态的指令 * 置中断指令 * 关中断指令 * 清内存指令 * 置时钟指令 * 非特权指令：允许用户直接使用的指令，不能直接访问系统中的软硬件资源，只限于访问用户的地址空间 * 访管/trap指令 * 两种处理器状态 * 核心态【管态】 * 时钟管理相关指令【置时钟指令】 * 中断机制相关的指令【时钟中断程序】 * 原语相关的指令 * 系统控制的数据结构与处理【进程调度程序】【进程切换】【缺页处理程序】【系统调用命令】 * 用户态【目态】 * 命令解释程序【属命令接口，面向用户】 * 访管/Trap指令，跳转指令，压栈指令 * 广义指令（系统调用）的调用 * 外部中断，缺页 * 改变处理器状态 * 内核态$\to$用户态 ： 发生在中断返回用户程序是，需要一条修改PSW（程序状态字）的特权命令 * 用户态$\to$内核态 ： 发生在中断时，通过硬件完成 * 状态区分目的： 保护系统程序 * 内核功能 * 时钟管理：实现计时功能 * 中断处理：负责实现中断机制 * 设备管理：完成设备的请求和释放，以及设备启动等功能 * 文件管理：完成文件的读、写、创建和释放等功能 * 进程管理：完成进程的创建、撤销、阻塞及唤醒等功能 * 进程通信：完成进程间的信息传递或信号传递等功能 * 内存管理：完成内存的分配，回收及获取作业占用内存大小及地址等功能 * 原语 * 一种特殊的程序 * 处于操作系统最底层，最接近硬件的部分 * 运行具有原子性（只能一气呵成，不可中断） * 运行时间较短，调用频繁 * 外中断和内中断 * 异常（内中断） * 基本概念 * 由CPU内部产生的意外事件 * CPU执行一条命令时，由CPU在其内部检测到的，与正在执行指令相关的同步事件 * 故障和自陷为异常 * 终止异常和外中断属于硬件中断 * 分类 * 故障：在引起故障的指令启动之后、执行结束前被检测到的异常事件 * 指令译码时，出现非法操作码 * 取数据时，出现缺页或缺段 * 除数为零 * 地址越界 * 自陷：也称陷阱或陷入，是预先安排的一种异常事件，如同预先设置好的陷阱一样 * x86机器中，用于程序调试的断点设置和单步跟踪功能 * 系统调用指令 * 条件自陷指令 * 终止：在执行指令的过程中发生了使计算机无法继续执行的硬件故障，程序无法执行，只能终止 * 控制器出错 * 存储器校验错 * 调出中断服务程序来重启系统 * 执行时间 * CPU在执行指令时检查是否有异常产生 * 不同点（与外中断） * 缺页或溢出等异常事件是特定指令在执行过程中产生的 * 异常的检测由CPU自身完成，不需要外部某个信号通知CPU * 中断（外中断） * 基本概念 * 由来自CPU外部的设备发出的中断请求（常用于输入输出） * 典型的由外部设备触发的，与当前正在执行的指令无关的异步事件 * 外部I/O设备通过特定的中断请求信号线向CPU提出中断请求 * CPU每执行一条指令就检查中断请求信号线，若检测到中断请求，则进入中断响应期 * 外部中断都是一条指令执行完成后（中断周期）才被检测并处理的 * 分类 * 可屏蔽中断 * 通过可屏蔽中断请求线INTR向CPU发出的中断请求 * CPU可通过在中断控制器中设置相应的屏蔽字来屏蔽或不屏蔽它，被屏蔽的中断信号将不被送到CPU * 不可屏蔽中断 * 通过不可屏蔽中断请求线NMI向CPU发出的中断请求 * 通常为非常紧急的硬件故障 * 举例 * Cache缺失 * I/O中断：键盘输入，打印机缺纸 * 时钟中断 * I/O中断请求 * 执行时间 * 每个指令周期末尾，CPU都会检查是否有外中断信号需要处理 * 不同点（与内中断） * 不与任何指令相关联，也不阻止任何指令的完成 * 系统调用（广义指令） * 定义 * 操作系统对应用程序和程序员提供的接口 * 系统调用需要触发Trap【也叫陷入/访管指令】 * OS通过提供系统调用避免用户程序直接访问外部设备【应用程序通过】 * 目的：请求系统服务 * 与库函数区别 * 库函数 * 语言或应用的一部分，可以运行在用户空间中 * 许多库函数都会使用系统调用来实现功能 * 有的库函数没有使用系统调用 * 系统调用 * 是操作系统的一部分，是内核为用户提供的程序接口，运行在内核空间 * 未使用系统调用的库函数，执行效率通常比系统调用的高【无需完成上下文切换和状态转换】 * 功能分类 * 设备管理：完成设备的请求或释放+设备启动 * 文件管理：完成文件的读、写、创建、删除 * 进程控制：完成进程的创建、撤销、阻塞、唤醒 * 内存管理：完成内存的分配、回收、获取作业占用内存区大小及始址 * 系统调用过程 1. 传参 2. 陷入指令/Trap/访管【执行系统调用】（发生在用户态） 3. 由操作系统内核程序处理系统调用（发生在内核态） 4. 返回应用程序