「操作系统」学习：（一）计算机系统概述

一、计算机系统概述

（一）操作系统的基本概念

1.操作系统的概念

操作系统是指：控制和管理整个计算机系统的硬件与软件资源，合理地组织、调度计算机的工作与资源的分配，进而为用户和其他软件提供方便接口与环境的程序集合。

2.操作系统的特征

(1) 并发

操作系统的并发性是指计算机系统重同时存在多个运行的程序，因此它具有处理和调度多个程序同时执行的能力。

在操作系统中引入进程的目的是，使程序能并发执行。

操作系统的并发性是通过分时得以实现的。

注意区分并发和并行。

(2) 共享

资源共享，系统中的资源可以供内存中多个并发执行的进程共同使用。分为互斥共享方式和同时访问方式。

• 互斥访问方式
• 同时访问方式

【并发和共享的关系】：并发和共享是操作系统两个最基本的特征，两者之间互为存在的条件：

没有并发就无法共享；没有共享就无法并发

(3) 虚拟

虚拟是指把一个物理实体变为若干逻辑上的对应物。

• 虚拟处理器
• 虚拟内存
• 虚拟外部设备

虚拟技术可以归纳为：时分复用技术（如处理器的分时共享）、空分复用技术（如虚拟存储器）

(4) 异步

在多道程序环境下，多个进程并发执行，但由于资源有限（比如 CPU 只有一个），进程会交替使用 CPU，执行过程是“走走停停”的，而不是一气呵成，这就是进程的异步性。

异步性使操作系统运行在随机环境下，可能导致与时间有关的错误，如：多个进程访问同一全局变量，执行顺序不同可能导致结果不同。

3.操作系统的目标和功能

(1) 操作系统作为计算机资源的管理者

• 处理机管理

  （处理机的分配和运行以进程为基本单位，因而对处理机的管理可归结为对进程的管理。）

• 存储器管理
• 文件管理
• 设备管理

(2) 操作系统作为用户与计算机硬件系统之间的接口

• 命令接口：允许用户通过特定的命令来组织和控制作业（任务）的执行。

  • 联机命令接口（交互式命令窗口）
  • 脱机命令窗口（批处理命令窗口）
• 程序接口：由一组系统调用（System Call）组成，允许运行中的程序请求操作系统内核提供服务（如申请内存、读写磁盘、创建进程等）。

(3) 操作系统实现了对计算机资源的扩充

没有任何软件支持的计算机称为裸机。

操作系统提供的资源管理功能和方便用户的各种服务功能，将裸机改造成功能更强，使用更方便 的机器。我们把覆盖了软件的机器称为扩充机器或虚拟机。

（二）操作系统的发展历程

1. 手工操作阶段（无操作系统）

• 特点：所有操作（装程序、运行、输出）均需人工干预，用户独占全机。
• 缺点：资源利用率极低，CPU 频繁等待手工操作，效率低下。
• 核心矛盾：人机速度不匹配，资源浪费严重。

2. 批处理阶段（操作系统开始出现）

为解决人机矛盾及 CPU 与 I/O 速度不匹配问题，批处理系统应运而生。

• 单道批处理系统

  • 特征：自动性（无需人工干预）、顺序性（按进入顺序执行）、单道性（内存中仅一道作业）。
  • 局限：CPU 在作业 I/O 时仍需等待，资源利用率仍有提升空间。

• 多道批处理系统（引入多道程序设计技术）

  • 特征：多道（内存中同时存放多道程序）、宏观上并行（程序都处于运行过程中）、微观上串行（程序轮流占用 CPU）。
  • 优点：资源利用率高，系统吞吐量大，CPU 和外设保持 “忙碌” 状态。
  • 缺点：用户响应时间长，无交互能力，无法干预或了解程序运行。

3. 分时操作系统

• 核心思想：将处理器时间划分为短时间片，按时间片轮转分配给多个终端用户。

• 主要特征：

  1. 同时性：允许多个用户同时使用一台计算机。
  2. 交互性：用户可通过终端与系统对话，控制程序运行。
  3. 独立性：用户间互不干扰，感觉独占计算机。
  4. 及时性：用户请求能在短时间内获得响应。
• 解决问题：良好的人机交互，满足用户对系统响应的即时性需求。

4. 实时操作系统

• 核心目标：在严格的时间限制内完成紧急任务，无需排队。

• 分类：

  • 硬实时：任务必须在绝对规定的时间内完成（如飞行器控制）。
  • 软实时：偶尔超时不会造成严重后果（如机票预订）。
• 特点：对外部信号响应及时，处理过程具有及时性和可靠性。

5. 网络操作系统与分布式操作系统

• 网络操作系统：将计算机网络中的各台计算机有机结合，提供统一、经济、有效的网络通信与资源共享服务。
• 分布式操作系统：由多台计算机组成，系统中任意两台计算机可通过通信方式交换信息；所有计算机地位平等，可并行、协作完成同一任务，具有分布性和并行性。

6. 个人计算机操作系统

• 应用场景：广泛应用于文字处理、电子表格、游戏等，是目前使用最广泛的操作系统。
• 常见代表：Windows、Linux、MacOS 等。

（三）程序运行环境

1.处理器运行模式

• CPU运行两种不同性质的程序：操作系统内核程序、应用程序。
• 指令分为：特权指令、非特权指令。内核程序可以执行特权指令，应用程序不可以。
• CPU的运行模式划分为：用户态（目态）、核心态（管态、内核态）。
• 与硬件关联紧密的模块（时钟管理等）和运行频率较高的程序（进程管理等）共同构成操作系统的内核。

操作系统的内核包括4方面的内容：

(1) 时钟管理

• 向用户提供系统时间
• 采用时间片轮转调度，实现进程的切换

(2) 中断机制

中断机制的本质是让CPU在执行当前任务时，能够相应并处理来自硬件或软件的紧急请求，处理完毕后再无缝回到原来的任务重。

中断机制中，内核负责保护和恢复中断现场的信息。

例：你正在电脑上写代码（CPU 执行程序），突然收到了一封新邮件（外设中断）。

主程序运行：你正在用编辑器写代码，CPU 正在执行编辑器进程的指令，屏幕上不断刷新你输入的字符。

中断发生：网卡检测到新邮件到达，向 CPU 发送了一个硬件中断信号。

内核响应（中断处理核心）：

• CPU 立即暂停当前的编辑器代码执行，由内核保护现场（保存当前寄存器、程序计数器等）。
• 内核根据中断号，找到对应的网卡驱动处理程序入口，将控制权转移过去。

处理程序执行：网卡驱动程序开始执行，读取网卡缓冲区中的邮件数据，将其存入内存，并更新邮件客户端的未读计数。

恢复执行：处理完成后，内核恢复之前保存的编辑器现场，CPU 继续执行被打断的代码编辑任务，你几乎感觉不到任何卡顿。

(3) 原语

原语处于操作系统最底层，运行具有原子性，运行时间短，调用频繁。

(4) 系统控制的数据结构及处理

系统控制的数据接口有作业控制块、进程控制块、设备控制块、各类链表、消息队列、缓冲区、空闲区登记表、内存分配表等。

2.中断和异常

定义

• 中断，也称外中断，是指来自CPU执行指令外部的事件。通常用于信息输入/输出。

  • 时钟中断：硬件定时器按预设频率周期性地向CPU发送中断信号，就像心脏跳动。

    每次中断，CPU 都会暂停当前任务，进入内核态执行时钟中断处理程序，更新系统时间、检查进程时间片、驱动调度器等。

• 异常，也称内中断，是指来自CPU执行指令内部的事件。如程序的非法操作码、地址越界等。

  异常不能被屏蔽，一旦出现必须立即处理。

分类

• 异常可以分为故障、自陷、终止。（异常是不可屏蔽的）

  • 故障（Fault）：通常是由指令执行引起的异常，如除数为0等。（属于软件中断）
  • 自陷（Trap）：一种事先安排的异常事件，用于在用户态下调用操作系统内核程序。（属于软件中断）
  • 终止（Abort）：出现了使得CPU无法继续执行的硬件故障，如控制器出错等。（属于硬件中断）

• 外中断可以分为可屏蔽中断、不可屏蔽中断。（都属于硬件中断）

  • 可屏蔽中断：通过INTR线发出的中断请求。通过改变屏蔽字可以实现多重中断，使中断处理更加灵活。
  • 不可屏蔽中断：通过NMI线发出的中断请求。通常是紧急的硬件故障，如电源掉电等。

处理过程

中断和异常处理过程的大致描述如下：

当CPU在执行用户程序的第i条指令时检测到一个异常事件/执行第i条指令后发现一个中断请求信号，则CPU打断当前的用户程序，转到相应的中断或异常处理程序去执行。若中断或异常处理程序能解决相应的问题，则在中断或异常处理程序的最后，CPU通过执行中断或异常返回命令，回到被打断的用户程序的第i条指令或第i+1条指令继续执行；若中断或异常处理程序发现是不可恢复的致命错误，则终止用户程序。

3.系统调用

系统调用按功能可分为：设备管理、文件管理、进程控制、进程通信、内存管理。

系统调用的处理需要操作系统内核程序负责完成。要运行在核心态，用户程序可以执行陷入指令（访管指令、trap指令）来发起系统调用。

过程：用户程序执行 “陷入指令”，之后相当于把 CPU 的使用权主动交给操作系统内核程序（CPU 状态会从用户态进入核心态），之后操作系统内核程序再对系统调用请求做出相应处理。处理完成后，操作系统内核程序又会把 CPU 的使用权还给用户程序（即 CPU 状态会从核心态回到用户态）。

由用户态转到核心态，会用到访管指令，访管指令是在用户态使用的，它不是特权指令。

从核心态转向用户态由一条指令实现，一般是中断返回指令，这条指令是特权命令。

注：由用户态进入核心态，不仅状态需要切换，而且所用的堆栈也可能需要由用户堆栈切换为系统堆栈，但这个系统堆栈也是属于该进程的。

（四）操作系统结构

1.分层法

• 核心思想：将操作系统分为若干层，仅能调用紧邻的低层功能（单向依赖）。
• 优点：便于系统调试和验证；易于扩充和维护。
• 缺点：合理定义各层比较困难；层间依赖导致灵活性不足；效率较低。

2.模块化

• 核心思想：按功能划分为若干独立模块，模块间通过接口通信（微内核由模块、子模块组成）。
• 衡量标准：内聚性（模块内部关联程度）、耦合度（模块间相互影响程度）。
• 优点：提高系统设计正确性、可理解性和可维护性；增强可适应性；加速开发过程。
• 缺点：模块接口验证困难，难以找到可靠的决定顺序。

3.宏内核（单内核）

• 核心思想：将系统主要功能模块作为紧密整体运行在核心态，管理模块间共享信息。
• 代表系统：Windows、Android、iOS、macOS、Linux 等。
• 优势：性能高，模块间交互直接。
• 发展趋势：逐步吸收微内核优点，向混合内核架构演进（如 Fuchsia、鸿蒙 OS）。

4.微内核

• 基本概念：

  • 将内核中最基本的功能保留在内核，不需要在核心态执行的功能移到用户态，以降低内核设计复杂性。
  • 微内核是精心设计的小型内核，仅包含与硬件紧密相关及较基本的功能，其余功能由用户态服务器实现。

• 微内核通常功能：

  • 进程（线程）管理：进程创建、切换、调度等机制部分放入微内核。
  • 低级存储器管理：地址映射等依赖硬件的机制放入微内核。
  • 中断和陷入处理：仅将与硬件紧密相关的小部分放入微内核，其余交由服务器处理。
• 主要优点：扩展性和灵活性好；可靠性和安全性高；可移植性强；支持分布式和网络系统。
• 主要问题：频繁的核心态与用户态切换导致执行开销增大，可通过将频繁使用的服务移回内核改善性能。

5.外核

• 核心思想：在裸机上运行外核程序，为虚拟机分配独立的硬件资源（如磁盘块），并检查资源使用权限。
• 优点：减少了地址映射等不必要的抽象，提高性能；应用可根据需求定制资源。
• 缺点：应用需自行管理资源，复杂度增加；外核需保证虚拟机间不发生冲突。

（五）操作系统引导

操作系统引导是指计算机利用CPU运行特定程序，通过程序识别硬盘，识别硬盘分区，识别硬盘分区上的操作系统，最后通过程序启动操作系统。

操作系统引导过程（8 步）

1. 激活 CPU：CPU 读取 ROM 中的 boot 程序，将指令寄存器设置为 BIOS 的第一条指令，开始执行 BIOS。
2. 硬件自检：BIOS 启动后进行硬件自检（POST），检查硬件故障；有故障则蜂鸣中止，无故障则显示硬件信息。
3. 加载带操作系统的硬盘：BIOS 按启动顺序（Boot Sequence），将控制权交给首位可引导存储设备，CPU 加载其引导扇区内容。
4. 加载主引导记录（MBR）：硬盘以特定标识区分引导盘和非引导盘，MBR 告诉 CPU 去哪个主分区找操作系统。
5. 扫描硬盘分区表：MBR 包含硬盘分区表，扫描后识别活动分区（含操作系统的分区），并将控制权交给它。
6. 加载分区引导记录（PBR）：读取活动分区的第一个扇区（PBR），其作用是寻找并加载活动分区根目录下的启动管理器。
7. 加载启动管理器：PBR 搜索并加载活动分区中的启动管理器。
8. 加载操作系统：启动管理器加载操作系统内核，完成引导，系统启动。

（六）虚拟机

虚拟机是一台逻辑计算机，是指利用特殊的虚拟化技术，通过隐藏特定计算平台的实际物理特性，为用户提供抽象的、统一的、模拟的计算环境。有两类虚拟化方法。

1. 第一类虚拟机管理程序（裸金属架构）

• 运行位置：直接运行在裸机硬件上，是唯一拥有最高特权级的程序，具备多道程序功能。
• 核心特点：向上层提供与裸机硬件精确复刻的虚拟机，因此虚拟机上可运行任意操作系统。
• 本质：像一个专门用于虚拟化的操作系统，直接管理硬件资源。

2. 第二类虚拟机管理程序（寄居架构）

• 运行位置：作为用户态进程，依赖于 Windows、Linux 等宿主操作系统来分配和调度资源。

• 核心特点：

  • 虚拟机上的操作系统认为自己运行在内核态（实际为虚拟内核态），执行敏感指令时会陷入虚拟机管理程序。
  • 虚拟机管理程序会检查指令来源：若来自虚拟机操作系统，则安排其正确执行；若来自虚拟机用户进程，则模拟硬件行为。
  • 在不支持虚拟化的 CPU 上，敏感指令会被转为对虚拟机管理程序的调用，由其模拟功能。
• 典型代表：VMware Workstation。