OS概述

操作系统的概念和功能

概念

负责管理协调硬件、软件等计算机资源的工作，为上层用户、应用服务提供简单易用的服务，是一种系统软件

• UI
• ABI：可以通过相应的编程语言使用这些接口，以操作计算机系统来完成某项特定任务
• API：将程序与操作系统、硬件平台之间紧密协作需要遵守的特定规则保留出来
• ISA：工业标准体系结构

功能和目标

• 资源管理者
  • 处理机管理
  • 存储器管理
  • 文件管理
  • 设备管理
• 向上层提供服务
  • 直接给用户使用的
    • GUI（图形用户界面）
    • 命令接口：联机命令接口（一句一句执行），脱机命令接口（一批一起执行）
  • 给软件/程序员使用的：程序接口（即系统调用）
• 对硬件机器的扩展：虚拟机

特征

• 并发性：宏观上同时，微观上交替（区别于并行：同一时刻同时发生）\
  注：单核CPU各程序只能并发执行，多核CPU可以并行执行
• 共享性：并发和共享互为存在条件
  • 互斥共享方式（如对摄像头设备的共享使用）
  • 同时共享方式（如对硬盘资源的共享使用）
• 虚拟性：把一个物理上的实体变为若干个逻辑上的对应物
  • 空分复用技术（如虚拟存储技术）
  • 时分复用技术（如虚拟处理器技术）
• 异步性

发展与分类

冯·诺伊曼体系结构：存储程序式，指令与数据共同存储，通过一个总线访问

哈佛结构：将指令存储与数据存储分离

1. 手工操作阶段

2. 批处理阶段

   1. 单道批处理系统（引入脱机输入输出技术，即输入/输出脱离主机控制）
   2. 多道批处理系统（操作系统开始出现）
      多道程序设计技术，就是指允许多个程序同时进入内存并运行。即同时把多个程序放入内存中（前提是内存放的下），并允许它们交替在CPU中运行，它们共享系统中的各种硬、软件资源。当一道程序因I/O请求而暂停运行时，CPU便立即转去运行另一道程序。
      引入多道程序设计技术后形成多道批处理系统
      优点：系统吞吐量大，资源利用率高
      缺点：平均周转时间长，不能交互（上面所说的I/O请求是指请求“读取文件”之类的操作，需要等待直到I/O操作完成，所以不是在和用户交互）

3. 分时操作系统

   分时系统：将CPU处理时间分割为多个时间片，将时间片分给不同程序，达到多个程序“同时”运行的效果
   两种典型分时操作系统：(1) Multics/Unix (1968/1970) (2) IBM VM 360/370

4. 实时操作系统：能优先处理紧急任务，一般用于嵌入式

   • 硬实时系统：必须在绝对严格的限定时间内完成处理
   • 软实时系统：能接受偶尔违反时间规定

5. 网络操作系统

   在传统单机OS上加单独软件层，主要提供联网功能和资源的远程访问，实现多机互联、分布式与嵌入式系统

6. 分布式操作系统

   多台机器统一管理形成单一系统，相比于网络操作系统，对用户和应用高度透明

7. 个人计算机操作系统

注：

多道批处理	分时技术
不可交互	可交互
侧重于作业的批量处理和长处理时间	强调用户与计算机的实时交互和独占使用

运行机制

程序运行原理

高级语言编写的代码 —> 机器指令
程序运行的过程就是CPU执行指令的过程

两类程序

• 内核程序
• 应用程序

两类指令

• 特权指令
• 非特权指令

两种处理器状态

• 内核态/核心态/管态
• 用户态/目态

内核

是操作系统最重要最核心的部分，由很多内核程序组成操作系统内核

如何改变CPU状态？

• 内核态 —> 用户态 ：一条修改PSW（程序状态字，也叫程序状态寄存器）的特权指令
• 用户态 —> 内核态 ：由中断引起，硬件自动完成

中断和异常

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

2. 分类

   • 异常（内中断）
     • 陷阱(trap)
     • 故障
     • 终止
   • 中断（外中断）
     • 时钟中断
     • I/O中断请求

3. 中断机制的基本实现原理

   1. 检查中断信号
      • 异常：CPU在执行指令会检查是否有异常发生
      • 中断：每个指令周期末尾，CPU都会检查是否有中断信号需要处理
   2. 找到相应的中断处理程序：通过中断向量表实现

系统调用

1. 定义：操作系统对应用程序/程序员提供的接口

2. 系统调用和库函数的关系：有的库函数是对系统调用的进一步封装，有的库函数没有使用系统调用

3. 什么功能要用系统调用实现：设备管理、文件管理、进程控制、进程通信、内存管理

4. 系统调用的过程：

   1. 传参
   2. 陷入(trap)指令
   3. 由操作系统内核程序处理系统调用请求
   4. 返回应用程序

OS体系结构

	大内核	微内核
特点	将操作系统的主要功能模块都作为系统内核，运行在核心态	只把最基本的功能保留在内核
例子	如Linux、UNIX	如Windows NT

系统引导

BootLoader(引导加载程序)：系统加电后运行的第一段软件代码，是在OS内核运行之前的一小段程序。（也就是说存放在图中PBR所在区域）

• boot：初始化嵌入式系统硬件使之运行起来，至少是部分运行起来。
• load：将OS映像加载到内存中，并跳转到OS的代码运行

处理器类型	常用bootloader
MIPS处理器（大多用于嵌入式系统）	U-boot
x86处理器	LILO、GRUB

BootLoader的实现严重依赖于具体硬件

计算机的启动过程（MIPS）

U-boot

大多数BootLoader都分为stage1和stage2两大部分，U-boot也不例外

• stage1：依赖于cpu体系结构的代码（如设备初始化代码等）通常都放在stage1且可以用汇编语言来实现
• stage2：通常用C语言来实现，这样可以实现复杂的功能，而且有更好的可读性和移植性

MIPS基本地址空间

• kuseg：用户态可用的地址,在有MMU的机器里,这些地址将一概被MMU作转换,除非MMU的设置被建立好,否则这2G的地址是不可用的
• kseg0：将他们的最高位清零,即可映射到物理地址段512M(0x00000000 — 0x1fffffff).这种映射关系很简单,通常称之为”非转换的”地址区域,几乎全部对这段地址的存取都会通过cache,因此cache设置好之前,不能随便使用这段地址.
• kseg1: 将这些地址的高三位清零可映射到相应的物理地址上,与kseg0映射的物理地址一样,但kseg1是非cache存取的. kseg1是唯一在系统重启时能正常工作的地址空间
• kseg2: 这块区域只能在核心态下使用并且要经过MMU的转换. 在MMU设置好之前,不要存取该区域. 除非在写一个真正的操作系统,否则没有理由用kseg2. 有时会看到该区域被分为kseg2和kseg3,意在强调低半部分(kseg2)可供运行在管理态的程序使用.

MIPS启动过程

1. start.S: 从_start开始执行
   • 初始化中断向量
   • 寄存器清零
   • 配置寄存器的CP0_STATUS, 设置所使用的协处理器，中断以及CPU运行级别（核心级）
   • 配置gp寄存器
2. lowlevel_init.S: 从lowlevel_init开始执行，工作频率配置（e.g: CPU主频、总线、DDR工作频率）
3. cache.S
   • mips_cache_rest: 对cache进行初始化
   • mips_cache_lock: 设置堆栈

由于此时ddr ram并没有配置好，而如果直接调用c语言的函数必须完成栈的设置，栈必定要在ram中。所以，只有先把一部分cache拿来当ram用。做法就是把一部分cache配置为栈的地址并锁定。这样，当读写栈的内存空间时，只会访问cache，而不会访问真的ram地址了

第一阶段：三个汇编代码

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1. board.c:

   board_init_f

   • time_init
   • env_init 环境变量初始化
   • init_baudrate 串口速率
   • serial_init 串口初始化
   • console_init_f 配置控制台
   • display_banner 显示U-boot启动信息，版本号等
   • init_func_ram 初始化内存，配置DDR controller

   board_init_r: 初始化flash、PCI以及外设（e.g: 网口），进入命令行直接启动Linux Kernel

MIPS下Linux系统引导过程

BootLoader将Linux内核映像拷贝到RAM中

/arch/mips/kernel/head.s kernel_entry(): 初始化内核堆栈段，为创建系统中的第一个进程进行准备，接着用另一段循环将内核映像的未初始化数据段清零，最后跳转到start_kernel()

/init/main.c start_kernel(): 初始化硬件平台相关代码

计算机的启动过程（x86)

1. 加载BIOS BIOS v.s. UEFI(统一可扩展固件接口)
2. 读取MBR(主引导记录，即磁盘上第0磁头第0磁道第一个扇区)：启动代码及数据、分区表、幻数

x86下Linux系统引导过程

1. Boot Loader
2. 加载内核
3. init进程执行
4. 用户层init依据initab文件来设定运行等级
5. init进程执行rc.sysinit
6. 启动内核模块
7. 执行不同运行级别的脚本程序
8. 执行/etc/rc.d/rc.local(留给用户个性化的地方)
9. 执行/bin/login程序，进入登录状态

虚拟机

	第一类虚拟机	第二类虚拟机
对物理资源的控制	直接运行在硬件之上，能直接控制和分配物理资源	运行在Host OS上，依赖于Host OS为其分配物理资源
资源分配方式	在安装Guest OS时，VMM要在原本的硬件上自行分配存储空间，类似于“外核”的分配方式，分配未经抽象的物理硬件	Guest OS拥有自己的虚拟磁盘，该盘实际上是Host OS文件系统中的一个大文件，Guest OS分配到的内存是虚拟内存
性能	好	差（需要Host OS作为中介）
可支持的虚拟机数量	更多（不需要和Host OS竞争资源，相同的硬件资源可以支持更多的虚拟机	更少（Host OS本身需要使用物理资源，Host OS上运行的其他进程也需要物理资源）
可迁移性	差	好
运行模式	运行在最高特权级（Ring 0），可以执行最高特权的指令	运行在用户态，部分运行在内核态， Guest OS发出的系统调用会被VMM截获，并转化为VMM对Host OS的系统调用