<操作系统>OS1 概述

OS1 概述

操作系统（OS，Operating System）是控制和管理整个计算机系统的硬件和软件资源。其负责合理阻止调度计算机的工作和资源的分配，是计算机系统中最基本的系统软件。

进程：一个程序的执行过程。执行进程时，将程序载入内存，才能被 CPU 处理。

OS1.1 操作系统的作用

操作系统的作用：

• 管理资源：提供处理机管理、存储器管理、文件管理、设备管理的功能

• 给出用户和计算机间的接口：提供命令接口、程序接口、图形用户界面。

  • 命令接口：允许用户直接使用

    分为联机命令接口（交互式命令接口，如控制台）和脱机命令接口（批处理命令接口，如 .bat 文件）

  • 程序接口：由一组系统调用组成，用户只能通过程序间接使用

  • 图形用户界面：简称 GUI（Graphical User Interface），又称图形用户接口

• 实现对硬件机器的拓展。

  没有任何软件支持的计算机称为裸机。覆盖了软件的机器称为扩充机器（虚拟机）

操作系统结构研究的目标是：系统模块化、模块标准化、通信规范化

OS1.2 操作系统的特征

操作系统有几个特征：

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

  操作系统的并发性是指系统内同时存在多个运行的程序。操作系统与程序并发是一起诞生的。

• 共享：系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程共同使用。

  共享方式分为：互斥共享（同一时刻仅允许一个进程访问）、同时共享（同一时刻允许多个进程访问）

  上面的 “同一时刻” 是宏观上的。微观上，这些进程可能是交替对该资源进行访问的（分时共享）。

• 虚拟：把一个物理上的实体变为若干逻辑上的对应物。

  物理实体是实际存在的。而逻辑上的对应物是用户感受到的。

  虚拟技术有两种：空分复用技术（如虚拟存储器技术）、时分复用技术（如虚拟处理器技术）

• 异步：多道程序环境下，允许多个程序并发。但进程的执行是以不可预知的速度推进的。

• 随机：操作系统在随机的环境下运行。其运行的程序的行为、硬件设备情况是不可预知的。

并发与共享互为存在条件，是操作系统的两个最基本特征。

OS1.3 操作系统的发展与分类

目前流行的操作系统有 Windows、UNIX、Linux、Android 等

• Windows 的体系结构是分层的模块系统。主要层次有

  1. 内核。内核执行 Windows 系统中最基本的操作，始终运行在核心态。
  2. 硬件抽象层（HAL）。HAL 是一个可加载的核心态模块，为硬件平台提供低级接口，实现其可移植性
  3. 执行体。其从用户态导出并能调用函数
  4. 子系统。

• UNIX 的系统结构从内层到外层是

  1. 内核层。操作系统管理和控制中心，常驻内存。具有与硬件的接口和与 Shell（命令语言解释程序）的接口。

     内核本身分为 进程控制子系统 和 文件子系统 两大部分

  2. 系统调用层。介于内核层与应用层间，供程序员设计、开发应用程序时调用。

  3. 应用层。所有应用层程序都是在 Shell 管控下为用户服务的，是面向用户操作的界面

• Linux 系统有四个主要部分：

  1. Linux 内核。操作系统的核心。由系统调用、内存管理、进程管理、设备驱动、文件系统、网络管理等组成
  2. Linux Shell。系统的用户界面。提供用户与内核进行交互操作的接口。
  3. Linux 文件系统。Linux 系统支持多种目前流行的文件系统，如 EXT2、EXT3、FAT、FAT32、VFAT、ISO9660
  4. Linux 用户应用程序。包括文本编辑器、编程语言、X Window、办公套件、Internet 工具、数据库等

• Android 系统从高到低是：

  1. Android 应用程序。所有应用程序都由 Java 编写
  2. Android 应用框架。为开发者提供了用以访问核心功能的 API 框架
  3. C++ 本地库和 Android 运行环境
  4. Linux 内核

根据操作系统的发展过程，将其分为几个阶段：

• 手工操作阶段（手工打印纸带等）：输入、输出的速度很慢

• 批处理阶段：出现了 单道批处理系统 和 多道批处理系统。

  单道批处理系统：引入了脱机输入输出技术。一定程度上缓解了人机速度矛盾。

  多道批处理系统：开始出现操作系统。能使程序并发执行，但不提供人机交互功能。

• 分时操作系统：提供了人机交互的功能，但不能优先处理紧急任务

• 实时操作系统：分为 硬实时系统 和 软实时系统。能优先处理紧急任务

  硬实时系统：必须在严格地规定时间内完成处理

  软实时系统：能接受偶尔违反时间规定

• 网络操作系统、分布式操作系统、个人计算机系统等

OS1.4 操作系统的内核

计算机的 CPU 分为两种状态：

• 用户态（目态）：运行在用户态的程序称为 应用程序。用户态只能执行 非特权指令
• 核心态（管态）：运行在核心态的程序称为 内核程序。核心态能执行包括 特权指令 在内的所有指令

计算机上配置的底层软件称为计算机 内核，是计算机最基本、最核心的部分。

实现操作系统内核功能的程序就是内核程序。有：

• 时钟管理：实现计时功能

• 中断管理：负责实现中断机制

• 原语：原语是一种特殊的程序，其位于操作系统最底层。

  其运行具有原子性（运行必须连贯完成，不能中断。若不能完成，则撤销操作，返回先前状态）。

  原语运行时间较短，通常被调用频繁。

• 系统资源管理：进程管理、存储器管理、设备管理

根据操作系统内核功能，又把操作系统分为两类：

• 大内核：将操作系统主要功能模块都作为系统内核。性能高，但内核代码庞大，难以维护。
• 微内核：只把基本功能保留在内核。方便维护，但要频繁在核心态和用户态间切换，性能低。

OS1.5 系统中断和异常

为提高系统资源利用率，人们发明了操作系统，并引入 中断机制，实现了程序的并发并行。

中断的本质是要求操作系统介入，并开展管理工作。当中断发生时，CPU 立即进入核心态。当前运行中的进程暂停运行，由操作系统根据中断信号的不同，对中断进行不同处理。

只有通过中断，才能完成由用户态向核心态的转换。

在核心态下，执行一条特定的特权指令，就能转换为用户态。

中断分为两种：

• 内中断（同步中断、异常、例外、陷入）：中断信号的来源是 CPU 的内部，与当前执行的指令有关

  内中断分为 自愿中断（指令中断）和强迫中断（硬件故障 或 软件中断）

  也能被分为 陷入（trap，有意为之的异常）、故障（falut，错误条件引起的异常）、中止（abort，不可修复的致命错误）

• 外中断（异步中断。狭义的中断）：中断信号的来源是 CPU 的外部，与当前执行的指令无关

外中断的处理过程：

1. 执行完每个指令后，CPU 会检查当前是否有中断信号
2. 检测到中断信号的场合，保护被中断进程的 CPU 环境（如程序状态字 PSW、程序计数器 PC、通用寄存器）
3. 根据中断信号类型转入相应中断处理程序
4. 恢复原进程的 CPU 环境并退出中断，返回原进程并继续执行

OS1.6 系统调用

系统调用 是操作系统提供给程序使用的接口。应用程序通过系统调用请求操作系统的服务。

系统中的各种共享资源由操作系统统一掌管，因此应用程序中涉及资源有关的操作都要由操作系统代为完成。这样能保证系统的 稳定性 和 安全性，防止用户进行非法操作。系统调用涉及的一些功能要进行 特权指令 才能完成，因此系统调用的处理要在 核心态 下进行。

系统调用可以按功能分为几类：设备管理、文件管理、进程控制、进程通信、内存管理

系统调用的流程：

1. 在用户态发出 系统调用请求，传递系统调用参数。之后执行 陷入指令，引发 内中断，从而进入核心态。
2. 在核心态 处理系统调用，执行相应服务程序。
3. 返回用户程序。

系统调用中，实现用户程序与系统程序间参数传递的方法有：

• 由陷入指令自带参数
• 通过有关的通用寄存器传递参数
• 在内存中开辟专用堆栈区传递参数

#系统调用、库函数、原语、陷入指令、访管指令、特权指令间的区别与联系

特权指令：CPU 的执行状态分为目态和管态。只能在管态执行的指令称为特权指令，此外的指令称为非特权指令。

陷入指令：即访管指令，也称自陷指令、trap 指令。是非特权指令，且只能在目态下调用。执行陷入指令会引发中断，从而使程序由用户程序切换到操作系统，CPU 状态也从目态转变为管态。陷入指令是实现系统调用的重要手段。

系统调用：是操作系统提供的，用户与硬件间的接口。系统调用发生在目态，被调用程序运行在管态。系统调用的流程是，先执行陷入指令引发中断进入管态，之后在管态处理相应系统调用，最后返回。

库函数：是将函数封装入库，供用户使用的一种方式。库函数是语言或应用程序的一部分，可以运行在目态。库函数可能封装了部分系统调用，也可能不含系统调用。

原语：是若干条指令组成的程序段，在执行过程中不可被中断。原语是操作系统内核的一部分。对操作系统内核的各种功能调用通过执行原语操作来实现。原语和系统调用命令都是操作系统中的功能程序，有的系统调用是以原语的形式出现的（如创建进程），有的系统调用不是原语。