操作系统基础——01 操作系统基本概念

计算机系统的层次结构

操作系统的定义

操作系统(Operating System, OS)是指控制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. 操作系统是系统资源(硬件和软件)的管理者
  2. 向上层提供方便易用的服务
  3. 是最接近硬件的一层软件

操作系统的功能和目标

作为系统资源的管理者

  • 提供的功能:

    • CPU(处理机)管理
    • 内存(存储器)管理
    • 文件管理
    • 设备管理
  • 目标:安全、高效

向上层提供方便易用的服务

封装思想:操作系统把一些硬件功能封装成简单易用的服务,使用户能更方便地使用计算机,用户无需关心底层硬件的原理,只需要对操作系统发出命令即可

  • 直接给用户使用的

    • GUI
    • 命令接口:联机命令接口、脱机命令接口
  • 给软件/给程序员使用

    • 程序接口:可以在程序中进行系统调用来使用程序接口。普通用户不能直接使用程序接口,只能通过程序代码间接使用

作为最接近硬件的层次

  • 需要实现对硬件机器的拓展:操作系统将 CPU、内存、磁盘、显示器、键盘等硬件合理地组织起来,让各种硬件能够相互协调配合,实现更多更复杂的功能,普通用户无需关心这些硬件在底层是怎么组织起来工作的,只需直接使用操作系统提供的接口即可

操作系统的四个特征

并发和共享是两个最基本的特征(没有并发和共享,就谈不上虚拟和异步),二者互为存在条件

并发

  • 并发指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。这些事件宏观上是同时发生的,但微观上是交替发生的。

并行:指两个或多个事件在同一时刻同时发生

  • 操作系统的并发性指计算机系统中“同时”运行着多个程序,这些程序宏观上看是同时运行着的,而微观上看是交替运行的。操作系统就是伴随着“多道程序技术”而出现的。因此,操作系统和程序并发是一起诞生的
    • 单核 CPU 同一时刻只能执行一个程序,各个程序只能并发地执行
    • 多核 CPU 同一时刻可以同时执行多个程序,多个程序可以并行地执行

共享

  • 共享即资源共享,是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。

  • 两种资源共享方式

    • 互斥共享方式:系统中的某些资源,虽然可以提供给多个进程使用,但一个时间段内只允许一个进程访问该资源
    • 同时共享方式:系统中的某些资源,允许一个时间段内由多个进程“同时”(宏观上)对它们进行访问

虚拟

  • 虚拟是指把一个物理上的实体变为若干个逻辑上的对应物。物理实体(前者)是实际存在的,而逻辑上对应物(后者)是用户感受到的。
    • 空分复用技术(如虚拟存储技术)
    • 时分复用技术(如虚拟 CPU 技术)

显然,如果失去了并发性,则一个时间段内系统中只需运行一道程序,那么就失去了实现虚拟性的意义了。因此,没有并发性,就谈不上虚拟性

异步

  • 异步是指,在多道程序环境下,允许多个程序并发执行,但由于资源有限,进程的执行不是一贯到底的,而是走走停停,以不可预知的速度向前推进,这就是进程的异步性。

如果失去了并发性,即系统只能串行地运行各个程序,那么每个程序的执行会一贯到底。只有系统拥有并发性,才有可能导致异步性。

操作系统的发展与分类

  1. 手工操作阶段:纸带机

  2. 批处理阶段——单道批处理系统:引入脱机输入/输出技术(用外围机 + 磁带完成),并由监督程序负责控制作业的输入、输出

    • 主要优点:缓解了一定程度的人机速度矛盾,资源利用率有所提升
    • 主要缺点:内存中仅能有一道程序运行,只有该程序运行结束之后才能调入下一道程序。CPU 有大量的时间是在空闲等待 I/O 完成,资源利用率依然很低
  3. 批处理阶段——多道批处理系统:每次往内存中读入多道程序,操作系统正式诞生,用于支持多道程序并发运行

    • 主要优点:多道程序并发执行,共享计算机资源。资源利用率大幅提升,CPU 和其他资源更能保持“忙碌”状态,系统吞吐量增大。
    • 主要缺点:用户响应时间长,没有人机交互功能(用户提交自己的作业之后就只能等待计算机处理完成,中间不能控制自己的作业执行。eg:无法调试程序/无法在程序运行过程中输入一些参数)
  4. 分时操作系统:计算机以时间片为单位轮流为各个用户/作业服务,各个用户可通过终端与计算机进行交互。

    • 主要优点:用户请求可以被即时响应,解决了人机交互问题。允许多个用户同时使用一台计算机,并且用户对计算机的操作相互独立,感受不到别人的存在。
    • 主要缺点:不能优先处理一些紧急任务。操作系统对各个用户/作业都是完全公平的,循环地为每个用户/作业服务一个时间片,不区分任务的紧急性。
  5. 实时操作系统: 在实时操作系统的控制下,计算机系统接收到外部信号后及时进行处理,并且要在严格的时限内处理完事件。实时操作系统的主要特点是及时性可靠性

    • 主要优点:能够优先响应一些紧急任务,某些紧急任务不需时间片排队。
    • 分类:硬实时操作系统:必须在绝对严格的规定时间内完成处理;软实时操作系统:能接受偶尔违反时间规定
  6. 其他几种操作系统:

    • 网络操作系统:是伴随着计算机网络的发展而诞生的,能把网络中各个计算机有机地结合起来,实现数据传送等功能,实现网络中各种资源的共享(如文件共享)和各台计算机之间的通信。(如:Windows NT 就是一种典型的网络操作系统,网站服务器就可以使用)
    • 分布式操作系统:主要特点是分布性和并行性。系统中的各台计算机地位相同,任何工作都可以分布在这些计算机上,由它们并行、协同完成这个任务
    • 个人计算机操作系统:如 Windows XP、MacOS,方便个人使用

操作系统的运行机制

  1. 如何区分 CPU 处于用户态还是内核态:CPU 中有一个寄存器叫程序状态字寄存器(PSW),其中有个二进制位,1 表示内核态,0 表示用户态(有的 CPU 也可能相反)

  2. 内核态=核心态=管态,用户态=目态

  3. 内核态和用户态的切换

    • 刚开机时,CPU 为内核态,操作系统内核程序先在 CPU 运行
    • 开机完成后,用户可以启动某个应用程序
    • 操作系统内核程序在合适的时候主动让出 CPU,让该应用程序上 CPU 运行(操作系统内核在让出 CPU 之前,会用一条特权指令把 PSW 的标志位设置为用户态)
    • 应用程序运行在用户态
    • CPU 发现要执行的指令是特权指令,但是处在用户态,这个非法事件会引发一个中断信号
    • CPU 检测到中断信号后,会立即变为内核态,并停止运行当前的应用程序,转而运行处理中断信号的内核程序
    • 操作系统获取 CPU 的控制权,直到处理完中断后再将 CPU 使用权转给应用程序
  • 内核态——用户态:执行一条特权指令——修改 PSW 的标志位为用户态,这个动作意味着操作系统将主动让出 CPU 使用权
  • 用户态——内核态:由中断引发,硬件自动完成变态过程,触发中断信号意味着操作系统将强行夺回 CPU 的使用权(除了非法使用特权指令之外,还有很多事件会触发中断信号。一个共性是,但凡需要操作系统介入的地方,都会触发中断信号

中断和异常

  • 中断是让操作系统内核夺回 CPU 使用权的唯一途径

中断的作用

没有中断机制,就不可能实现操作系统,不可能实现程序并发

  1. 让操作系统内核强行夺回 CPU 的控制权
  2. 使 CPU 从用户态变为内核态

中断类型

  • 内中断(异常、例外):与当前执行的指令有关,中断信号来源于 CPU 内部

    • 陷阱、陷入:执行陷入指令,意味着应用程序主动地将 CPU 控制权还给操作系统内核。 系统调用就是通过陷入指令完成(陷入指令)(注意不是特权指令,能再用户态使用)
    • 故障:由致命错误引起,内核程序无法修复该错误,因此一般不再将 CPU 使用权还给引发终止的应用程序, 而是直接终止该应用程序。如:整数除 0、非法使用特权指令
    • 终止:由错误条件引起的,可能被内核程序修复。内核程序修复故障后会把 CPU 使用权还给应用程序,让它继续执行下去。如:缺页故障。
  • 外中断:与当前执行的指令无关,中断信号来源于 CPU 外部

    • 时钟中断
    • I/O 中断请求

每一条指令执行结束时,CPU 都会例行检查是否有外中断信号

中断机制的基本原理

不同的中断信号,需要用不同的中断处理程序来处理

  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:每个指令末尾,CPU 都会检查是否有外中断信号需要处理
  2. 找到相应的中断处理程序

    • 根据中断信号的类型去查询中断向量表,以此来找到相应的中断处理程序在内存中的存放位置

系统调用

系统调用是操作系统提供给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(和库函数类似,但有区别)

  • 有的库函数涉及系统调用(如 open),有的不涉及系统调用(如取绝对值的函数)

系统调用的分类

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,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。

系统调用过程

操作系统的内核

宏内核和微内核

操作系统结构

分层结构

最底层是硬件,最上层是用户接口,每层可单向调用更低一层的接口(不能跨层调用)

模块化

将操作系统按功能划分为若干个具有一定独立性的模块

内核 = 主模块(进程、内存)+ 可加载内核模块(驱动)

外核

外核能够给用户分配未经抽象的硬件资源(没有虚拟化映射),用户看到的是物理内存,可以提高访存效率(在一些频繁使用的物理地址可以这样分配)

操作系统引导(开机过程)

  • 操作系统引导(boot):开机的时候,让操作系统运行起来

虚拟机

虚拟机:使用虚拟化技术,将一台物理机器虚拟化为多台虚拟机器,每个虚拟机器都可以独立运行一个操作系统;需要使用到虚拟机管理程序(虚拟机监控程序/VMM/Hypervisor)

  • 第一类 VMM,直接运行在硬件上,只有 VMM 是运行在内核空间中的,操作系统是运行在用户空间的,只不过是它自己以为运行在内核空间中,VMM 提供操作系统执行特权指令的功能

  • 第二类 VMM,直接运行在宿主操作系统上(VMware)

  • 两类 VMM 对比

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