《操作系统》计算机系统概述

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

• 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

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