操作系统·概述

操作系统的基本概念

操作系统的概念

操作系统的特征

• 并发
• 共享
  • 互斥共享方式
  • 同时访问方式（分时）
• 虚拟
  • 虚拟处理器（时分复用）
  • 虚拟存储器（空分复用）
• 异步：进程的执行不是一贯到底的，是以不可预知的速度向前推进

操作系统的目标和功能

• 作为计算机系统资源的管理者
  • 处理机管理
  • 存储器管理
  • 文件管理
  • 设备管理
• 作为用户与计算机之间的接口
  • 命令接口
    • 联机命令（交互式命令）
    • 脱机命令（批处理命令）
  • 程序接口：由一组系统调用（广义指令）组成
• 实现计算机资源的扩充

操作系统发展历程

手工操作阶段

• 缺点
  • 独占全机
  • CPU利用不充分

批处理阶段

• 单道批处理系统
  • 主要特征
    • 自动性
    • 顺序性
    • 单道性
  • 缺点（问题）
    • CPU与I/O串行，利用率不高
• 多道批处理系统
  • 特点
    • 多道
    • 宏观上并行
    • 微观上串行
  • 优点
    • 利用率高
    • 吞吐量大
  • 缺点
    • 用户响应时间长
    • 不提供人机交互能力

分时操作系统

• 分时技术
• 分时操作系统的主要特征
  • 同时性
  • 交互性
  • 独立性（注意并不是封闭性，封闭性是单道的特征）
  • 及时性

实时操作系统

• 硬实时系统
• 软实时系统

网络操作系统和分布式计算机系统

个人计算机操作系统

操作系统结构

分层结构

• 描述：内核分多层，每层可单向调用更低一层的接口
• 优点
  • ⭐️便于调试和验证
  • 易扩充、易维护。层间接口清晰固定
• 缺点
  • 各层边界难以合理定义
  • ⭐️跨层调用，时间长，效率低

模块化

• 描述
  • 内核划分为多个模块，各模块相互协作
  • ⭐️内核=主模块+可加载内核模块
  • 主模块只负责核心功能
• 优点
  • 逻辑清晰易于维护，可同时开发i
  • ⭐️动态加载新模块
  • ⭐️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
  • 接口定义未必合理、实用
  • 模块相互依赖，难以调试、验证

宏内核

• 描述：所有系统功能都放在内核里
• 优点：❗️性能高
• 缺点
  • ❗️内核庞大 功能复杂 难以维护
  • ❗️某个功能模块出错，导致整个系统崩溃

微内核

• 描述
  • 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、设备管理等功能以进程形式运行在用户态
• 优点
  • ❗️内核小 易于维护 内核可靠性高
  • ❗️内核外的功能模块出错不会导致整个系统崩溃
• 缺点
  • ❗️频繁“变态”，性能低
  • ❗️服务器不能直接相互调用，需要通过微内核通信

外核 详细介绍

• ⭐️描述：
  • 内核负责进程调度、进程通信等
  • 外核为用户进程分配未经抽象的硬件资源，且由外核保证资源使用安全
• 优点
  • ⭐️直接分配“不虚拟、不抽象”的硬件资源
  • ⭐️减少了“映射层”（抽象资源映射到实际资源的层次），提升效率
• 缺点
  • 降低了系统的一致性
  • 使系统变得更复杂

操作系统引导

一些概念

• CMOS
• MBR
• PBR
• 启动管理器

CPU视角的引导过程

• 爷（又）活了
• 用BIOS里面的指令完成硬件自检，找到可启动的存储器的MBR
• 用MBR找到活动分区
• 用PBR找到最好的伙伴（OS）的启动管理器
• 启动管理器来了，来吧蹂躏我😘

BIOS ROM RAM MM的关系

主存是一个逻辑上的空间，不仅仅包括内存条上的存储空间（RAM），还包括一些ROM，而BIOS是写在ROM里面的，逻辑上归为主存的一部分

操作系统运行环境

处理器运行模式

• 变态
  • 应用程序（被管理程序、用户自编程序、上层程序）在用户态（目态）执行非特权指令
  • 内核程序（管理程序、操作系统程序）在内核态（管态、核心态）执行特权指令
  • 用户程序通过访管指令（属于非特权指令），引起中断并自动由操作系统在管态执行响应操作
  • 操作系统执行一条特权指令（中断返回指令）让权到用户态
• 操作系统内核
  • 时钟管理
  • 中断机制
  • 原语（Atomic Operation）
  • 系统控制的数据结构及处理

中断

• 内部异常（内中断）
  • 故障（Fault）
  • 自陷（Trap）
  • 终止（Abort）
• 外部中断（狭义中断）
  • 可屏蔽中断INTR
  • 不可屏蔽中断NMI
• 软件中断
  • 故障
  • 自陷
• 硬件中断
  • 终止
  • INTR
  • NMI

系统调用

• 按功能分类
  • 设备管理
  • 文件管理
  • 进程控制
  • 进程通信
  • 内存管理

常见特权指令

• I/O指令
• 访问程序状态
• 存取特殊寄存器
• 其他

外核

What is exokernal?

• traditional os
  • abstracts and protects system resources
    • physical mem -> virtual mem
    • disk -> virtual file systems
  • Benefits:
    • portable interface
    • apps are unconcerned with lower levels of hardware management
  • Problems:
    • lack of flexibility
    • a gap between apps and actual hdware (the indication of files are actually there?????)
    • level differentiate
• Exokernel?
  • gives as much control over systems as possible, without compromising system security or integrity
  • separates system protection from systems management
  • SysCalls are way less

Are exokernel better than traditional operating systems?

• MORE chaos
• but less redundancy

How do exokernels work?

What are the advantages / disadvantages of exokernel?

Advantages

• Minimizes the hardware abstraction
• Reduce the overhead by removing SysCalls
• Provide apps with the freedom they need to manage system resources
• Offer finer-grain protection levels
• Permit shared access to system resources via the LibOS

Disadvantages

• need for further research

虚拟机

• 裸金属
• 寄宿