OS复习：OS概述

目录

虚拟化、并发化、持久化

  • OS概述：概念、特征、批处理、分时实时、中断和系统调用
  • 进程：
  • 内存管理：
  • 文件系统：
  • IO设备：

鉴于本人大二上在没有先修计组的前提下，稀里糊涂的选了操作系统，所以基础和考研跨考的同学相当。离期末考还有一个月，选择速通

若想认真学习OS的同学，建议先修计组，参考jyy老师的课

第一章： OS基本概述

1.1 基本概念

OS是控制管理系统软硬件，合理阻止调度计算机的工作与资源分配，为用户和软件提供方便接口与环境的程序几何、

OS也是状态机

特征

并发和共享是操作系统基本特征；

并发：同一时间间隔执行多个任务；通过CPU分时实现，多道程序交替运行

共享：互斥共享、同时访问（分时共享）

虚拟： 将逻辑上的映射到计算机硬件实体，常见有虚拟处理器，虚拟存储器（内存管理），虚拟设备（IO设备）

异步 ：由于资源有限，进程的执行并不是一贯到底，走走停停，拥有不可预知速度

目标和功能：

作为资源管理者

我们OS接下来四章学习内容就是围绕以下展开

  • 进程管理：运行多个进程时，进程何时创建？何时撤销？何时管理？如何避免冲突？如何合理共享？所以我们要解决的问题包括：进程控制、同步、通信、死锁的处、处理机的调度

  • 存储器管理：为了多道程序提供良好环境，提高内存利用率；我们要考虑：内存分配与回收，地址映射、内存保护与共享和内存扩充

  • 文件管理：计算机信息以文件形式存在，我们需要考虑：文件存储空间怎么管理？目录管理？文件读写的管理和保护
  • IO设备管理：设备管理要完成用户IO请求，方便用户使用各种设备，提高设备利用率；主要包括：缓冲管理，设备分配，设备处理和虚拟设备

以上工作都有OS完成，用户无需关注

作为用户与计算机硬件系统的接口

用户想要操纵硬件运行程序，OS也相应提供了接口：命令接口和程序接口

命令接口

联机控制和脱机控制方式：联机就是用户和OS强交互，你说一句，计算机反馈一句；脱机又称批处理接口，你列清单，计算机逐条完成并反馈

程序接口

GUI最终就是通过调用程序接口实现的

实现对资源的扩充

OS将裸机改造成功能更强、使用更方便的机子

1.2 OS的分类

  1. 手工操作：
  2. 批处理：单道批处理和多道批处理

单道批处理

将一批作业以脱机方式输入磁带，并在系统上配上监督程序

内存始终保持一道作业，是自动的（无需人工干预），有序的，单道性

但是这样造成高速CPU等待低速IO完成，CPU将会摸鱼很长一段时间。这是我们不允许的，应该狠狠压榨CPU，所以为了让CPU提高利用率和吞吐量，我们走多道程序

多道批处理

提交的所有作业放在外存上排成一个队列，我们采用一定算法调度这些作业放入内存。这些作业将穿插得共享CPU和IO设备：比方说A进程请求IO操作暂停运行，我们让CPU跑B进程，通过中断机制实现；

总而言之，我们要让计算机各部门都忙起来，不能有空闲时间

分时OS

将处理器分成很短时间片，按时间片轮流将处理器分配给各联机作业使用。

A进程我给你了5单位的时间片，没完成？不用做了，下学期再来吧；我们让B进程来

分时OS可以让多个用户通过终端同时共享一台机子；所以我们要确保独立性，不能A修改了B的内容，不能A发了请求，反馈了B的结果

分时OS不同多道批处理，这里我们更强调人机交互

实时OS

当你要发射导弹了，你不能导弹任务没完成，时间片切到另一个任务。这种情况下，我们需要硬实时系统，这些紧急任务不需要时间片排队，这就是实时操作系统

网路OS和分布式OS

网络OS为了让网络中各个计算机结合；、

分布式OS：分布性和并行性。与网络OS不同的是，分布式OS中若干计算机相互协同完成同一任务

1.3 OS运行环境

CPU运行模式

CPU执行两种程序：内核程序，用户应用程序；那么执行这两种性质程序，需要不同级别的指令

特权指令：IO、关中断、内存清零，存取用于内存保护的寄存器，送PSW到程序状态字寄存器等的指令

非特权指令：用户直接使用，不涉及内核

又把CPU运行分为用户态和核心态（尼玛​的，​为什么翻译不统一，什么目态，管态，内核态都有:sweat_smile:）；注意应用程序向操作系统请求服务时通过访管指令，访管指令是非特权的

OS最底层是一些和硬件关联特紧密的，时钟管理，中断处理，设备驱动；其次则是进程管理，存储器管理和设备管理

时钟管理

时钟第一功能就是计时，向用户提供标准时间

第二呢，就是通过时钟中断机制，实现进程的切换；比方说，在分时OS中，采用时间片轮转调度，那我们就需要给任务设置DDL；而批处理系统通过时钟管理来衡量一个作业的运行程度

中断机制

我们之前提到为了提高CPU利用率，要让CPU在IO操作期间执行其他指令，这就需要中断；但现代OS远不止于此，不做详细介绍

中断机制有一部分属于内核，负责保护和恢复中断现场信息，转移控制权到相关处理程序。这样可以减少中断处理时间，提高系统并行处理能力

原语

没懂为啥这么翻译，经典看不懂中文，来看英格利什，atomic Operation：原子操作？

就像物质一直分割到最小单位一样，计算机程序也一样分割到最小的程序就是原语。原语是一气呵成的，不能中断

所以重点在atomic,原子性，不可分的

  • 它是最接近底层，硬件的部分

  • 具有原子性，操作只能一气呵成

  • 运行时间短暂，调用频繁

如何定义原语？关中断。什是关中断？让某段程序不可分割完成后才能进行中断；（关中断应该是关闭中断的意思，服了）

中断和异常

我们想从用户态走向内核态时，只能通过中断或者异常

中断(Interruption):

  • 也称外中断，来自CPU执行指令外部的事件。通常用于信息输入和输出；比如IO结束中断和时钟中断;

  • 中断分为可屏蔽的，不可屏蔽；前者通过INTR线发出中断请求，改变屏蔽字可以实现多重中断，使中断更加灵活；后者使通过NMI线发出中断请求，通常是紧急的硬件故障；

异常(Exception):

  • 内中断，CPU执行指令内部事件。比如程序非法操作码，地址越界，运算溢出，虚拟系统缺页以及专门的陷入指令；异常自然是不可屏蔽的

  • Exception分为故障（Fault）、自陷（Trap）和终止（Abort）。故障比如非法操作码，缺页故障，除数为0，运算溢出；自陷，用户态调用内核程序；终止，使得CPU无法继续执行硬件故障，控制器出错、存储器校验错；、

中断和异常是怎么处理的？

用户i条指令-> 检测异常-> 打断执行异常或中断处理->若解决，回到i+1或i指令；若无法解决，终止程序

注意中断程序和主程序是独立的，没有从属关系

系统调用

按功能分：

  • 设备管理
  • 文件管理
  • 进程控制
  • 进程通信
  • 内存管理

系统调用处理过程：

  1. 将系统调用号和参数压入堆栈；调用指令，执行陷入指令，从用户态转向内核态，再由系统内核和硬件保护被中断现场，将PC和PSW以及通用寄存器内容压入堆栈
  2. 通过分析系统调用类型，转入相应系统调用子程序，通过系统调用号找到system call 的处理子程序入口

陷入指令，将CPU使用权主动交给内核程序，内核调用相应处理；

总而言之，用户不能直接执行对系统影响很大的操作，一定是要请求操作系统代理执行内核操作，这样保证了系统稳定性和安全性

1.4 操作系统结构

单内核：系统主要功能模块作为一个整体运行

微内核：内核最基本功能留在内核，其余就移动到用户态；移出的操作系统代码根据分层划分为若干服务程序，相互独立，交互要走位内核通信。

它里面有啥？

  • 与硬件相关的
  • 基本功能
  • 客户和服务器间的通信

原本存放在内核中 的进程管理服务，虚拟存储器管理等待都被放在微内核外的一组服务器中实现。他们在微内核架构里 ，是作为进程的，运行在用户态，客户与服务器通过微内核的消息传递机制实现交互

这样好处是：可靠，其中在核外的某一操作系统模块崩溃，不会影响另一模块；实现解耦

特点：

  • 扩展和灵活
  • 可靠和安全
  • 可移植
  • 分布式计算

然而微内核需要频繁在用户态和核心态转换，执行开销较大，性能不高。

1.4 操作系统引导

笔者在折腾Linux深受bios苦，经常调引导

  1. 激活CPU；CPU读取ROM里Boot程序，将指令寄存器设置为BIOS第一条指令，开始执行BIOS
  2. 硬件自检：BIOS在内存最开始空间构建中断向量表。然后通电自检，硬件是否有故障
  3. 加载带有OS的因公安
  4. 加载主引导记录
  5. 扫描硬盘分区表，加载硬盘活动分区
  6. 加载分区引导记录（PBR）
  7. 加载启动管理器：此时，MBR中的引导程序将控制权交给GRUB（如果使用的是GRUB作为启动管理器）。GRUB将展示一个启动菜单，允许用户选择要启动的操作系统（如Linux、Windows等）。GRUB也可以在启动前修改内核参数等设置。
  8. 加载操作系统