【操作系统】第一章 绪论

1.0 导语

        操作系统是计算机系统的核心和灵魂，是硬件的首次扩充，又是最重要的系统软件，该课程具有承上启下的重要作用。

（1）对前导课程进行总结和提高

计算系统基础、计算机组成原理、数据结构、软件工程

（2）为后继专业课程的学习打下良好基础

嵌入式系统、服务计算、分布式计算、网格计算、云计算等

1.1 操作系统做什么？

【计算机系统】

• 系统软件

（1）实现应用软件与计算机硬件的相互通信；

（2）管理计算机各种硬件资源。

• 应用软件

（1）创建、处理、分析信息；

（2）为终端用户提供服务。

• 计算机硬件

（1）各种计算机硬件设备；

（2）负责接受输入、处理数据、提供输出。

• 终端用户

（1）计算机的最终使用者；

（2）应用软件的服务对象。

【计算机系统分层和观点】

【操作系统的定义】

• 注：没有公认的标准定义
• 操作系统是计算机系统中的一个系统软件，一些程序模块的集合
• 管理和控制计算机系统中的软件和硬件资源
• 合理地组织计算机工作流程
• 在计算机与其用户之间起到接口的作用。

1.2 计算机硬件系统的组成

【计算机系统的运行】

• 一个或多个CPU和若干设备控制器、通过公用总线相连（总线提供了对共享内存的访问）
• CPU和设备并发执行、竞争访问内存

（1）每种设备控制器负责一种特定的设备类型；

（2）每个设备控制器有一个local缓冲寄存器；

（3）CPU在主存和缓冲寄存器之间移动数据；

• 设备通过发出中断通知CPU已完成操作
• 开机时运行引导程序

（1）位于ROM或者EEPROM（电可擦可编程只读内存）；

（2）初始化系统各个组件，从CPU寄存器、设备控制器到内存内容；

（3）定位外存硬盘上的操作系统内核并且加载到内存。

• 内核加载到内存开始运行

（1）设置和初始化数据结构与表格、建立各种控制系统内核运行的系统进程和系统后台进程；

（2）等待事件发生；

• 事件发生通过硬件和软件中断来通知

（1）硬件中断的触发：硬件随时通过系统总线发送信号到CPU；

（2）软件中断的触发：程序中发出系统调用；

【中断机制的功能】

• 将控制转移给中断服务程序

• 保存中断指令的地址

（1）在系统堆栈上；

• 操作系统是中断驱动的

【存储定义与符号】

（1）bit（比特、位）存储的基本单位，所有其他计算机存储都是由位组合而成。位数足够，计算机能够表示各种信息：数字、字母、图像、视频、音频、文档和程序。

（2）Byte（字节）8位、大多数计算机的常用的最小存储。

（3）Word（字）给定计算机架构的常用存储单位，每个字由多个字节组成。计算机的许多操作通常以字为单位。

如：一个具有64位寄存器和64位内存寻址的计算机通常采用64位的字（8字节）

210 bytes = 1KB = 103字节

220 bytes = 1MB = 106字节

230 bytes = 1GB

240 bytes = 1TB

250 bytes = 1PB

【存储结构】

• 内存、高速缓存

计算机系统结构的一部分，由硬件实现，对操作系统不可见（透明）

• 主存

（1）CPU能直接访问

（2）易失性

• 二级存储

（1）主存的扩充、容量大且不易失

（2）硬盘、磁盘

（3）固态硬盘：低功耗、无噪音、体积小、发热量小，读写速度远高于传统硬盘。

• 注意：

（1）CPU只能从内存中加载命令

（2）固态硬盘与U盘一样，依靠的是闪存芯片存储数据，所以不会出现噪音。机械硬盘用久了经常能听到响声，特别是笔记本。

（3）固态与机械硬盘相比体积小了很多，重量特别轻，比如在一些迷你主机或者轻薄本上

（4）达到机械硬盘读写速度的十几倍甚至更高

（5）功耗远远小于机械硬盘，所以发热量更低，至于省电确实能省但是并不多，不过在笔记本上，发热量小就是最好的有点

（6）固态硬盘容量越大价格涨幅越大，如果是移动固态硬盘，那就更加昂贵了。

（7）寿命短于机械硬盘，但是平时无需考虑这个问题，五六年绝对可以。

（8）固态硬盘在丢失数据后更几乎无法恢复，这点确实是比较大的缺点

【存储设备的层次】

• 层次结构成功的关键：低层访问频率递减。
• 存储器的三个特性

（1）容量、存取速度、价格；

（2）存取速度越快，每个“位”的价格越高；

（3）容量越大，每个“位”的价格越低；

（4）容量越大，存取速度越慢。

1.3 计算机系统的体系结构

系统分类：单处理器系统、多处理器系统、集群系统（Clustered Systems）。

【单处理器系统】

• 特点：只有一个处理器

【多处理器系统】

• 优点：增加吞吐量、规模经济、增加可靠性
• 非对称多处理器

（1）主处理器（一个、只运行OS、管理整个系统的资源、为从处理器分配任务）；

（2）从处理器（可有多个、执行应用程序或I/O处理）不同性质任务的负载不均，可靠性不够高。

• 对称多处理器

（1）每个处理器都参与完成OS的所有任务，没有主从关系；

（2）任务负载分布较为均匀，性能调节容易；

（3）几乎所有现代OS支持，如Mac OSX、Linux、Windows等。

【集群系统】

• 由两个或多个独立的系统（或节点）组成

（1）每个节点为单核系统或多核系统

（2）集群计算机共享存储

• 高可用性

集群中的一个或多个系统出错，仍可继续提供服务。

• 对称的

（1）两个或多个主机都运行应用程序、并互相监视

（2）充分使用现有硬件、当多个应用程序可供执行时，更有效

• 非对称的

一台处于热备份模式，另一台运行应用程序。

• 应用

（1）高性能计算(High-Performance Computing)：并行计算（parallelization），将一个程序分成多个部分，并行运行在各个核上

（2）分布锁管理器(Distributed Lock Manager)：多个主机访问共享存储的同一数据。

• 1.4 OS的执行

【OS执行的内容】

• 现代操作系统是中断驱动的
• 硬件中断：设备发出的
• 软件中断（陷阱或异常）

（1）软件出错（如除数为0、无效的存储访问）、进程试图修改别的进程或OS等

（2）进程发出系统调用，需要OS服务

• OS和多个进程共享计算机系统的软硬件资源，为保证OS的正确运行，区分OS代码和用户代码的运行。
• 多数系统将处理器状态划分为管态和目态。

【双重模式与多重模式的执行】

根据运行程序对资源的机器指令的使用权限划分为：管态、目态。

【管态】

• 特权态、系统态、内核态
• 操作系统程序运行时的状态，较高的特权级别。

可以执行所有的指令（包括特权指令）、使用所有的资源，并具有改变处理器状态的能力。

• 通常，OS在管态下运行。

【目态】

• 普通态、普态、用户态
• 用户程序运行时的状态，较低的特权级别。
• 禁止使用特权指令，不能直接使用系统资源与改变CPU状态，只能访问用户程序所在的存储空间。

【受保护的指令/特权指令】

特权指令：只有操作系统才有权使用的指令。

• 访问某些硬件资源的指令（如，对I/O设备直接访问的指令）
• 对内存管理状态进行操作的指令；
• 某些特殊的状态位的设置指令
• 停机指令

问：CPU如何来判断当前运行的程序是系统程序还是用户程序呢？

答：通过程序状态字PSW

【程序状态字PSW】Program Status Word

• 状态码：管态还是目态，决定是否可以用特权指令或拥有其他的特殊权利。
• 条件码：指令执行后的结果特征值。
• 中断屏蔽码：是否允许中断。

问：CPU工作状态之间如何进行转换？

• 管态——>目态（设置PSW）
• 目态——>管态（系统调用）用户程序无法直接修改程序状态字，通过系统调用实现。

【系统调用】System Call

• OS的内核函数，用户程序通过访管指令，请求OS提供某种服务。
• 当CPU执行访管指令时，引起访管指令；
• 处理器保存中断点的程序执行上下文环境（PSW、PC、其它寄存器），CPU切换到管态（硬件自动完成）；
• 中断处理程序开始工作，调用相应的系统服务；
• 结束后，恢复被中断程序的上下文环境，CPU恢复为目态，回到中断点继续执行。

【用户模式到内核模式的转换】

1.5 OS的功能

【五大功能】

• 设备管理：设备分类、设备独立性、I/O软件组成、设备分配、虚设备技术、缓冲技术、通道技术、磁盘调度。
• 文件管理：文件基本概念、磁盘结构、文件目录、文件系统使用、文件系统安全、外存空间管理。
• 存储管理：存储结构概述、磁盘结构、空闲空间管理、存储空间分配、磁盘调度。
• 内存管理：地址变换、内存分配和回收、内外存数据的传输、内存保护和共享、虚拟内存。
• 进程管理：多道程序设计、进程基本概念、进程控制、同步互斥、进程调度、进程通信、进程死锁。

1.6 OS的发展

【发展】

• 发展动力：需求推动
• 设备角度：资源利用率、系统性能
• 用户角度：方便用户
• 技术角度：物理器件发展

【历史】

真空管（1945-1955）→

晶体管和批处理系统（1955-1965）→

集成电路和多道程序设计（1965-1980）→

PC（1980-1995）→

后PC（1955-至今）

【真空管】

• 没有程序设计语言、没有OS（如：ENIAC计算机）
• 程序员提前预约一段时间，然后到机房将他的插件板插到计算机里。
• 祈祷几万个真空管不会烧断，这样才能设计自己的题目。

【晶体管和批处理系统】

• 晶体管计算机，操作系统的雏形——监督程序。
• 把若干个作业合成一批，调入计算机执行，完成后再调入下一批作业。
• 计算机的应用从数值计算扩大到数据处理、工业过程控制等领域。

【多道程序系统】

• 定义：在内存中放多道程序，在管理程序的控制下相互穿插地运行。
• 形成动力：提高资源利用率和系统吞吐量。
• 硬件基础：60年代通道技术、中断技术。
• 特点：

（1）多道：计算机内存中同时存放几道相互独立的程序；

（2）宏观上并行：同时有多道程序在内存运行；某一时间段内，各道程序不同程度向前推进；

（3）微观上串行：任一时刻最多只有一道作业占用CPU（单CPU），多道程序交替使用CPU。

• 优点

（1）资源利用率高

（2）系统吞吐量大（吞吐量：系统单位时间完成的工作总量）

• 缺点

（1）平均周转时间长（作业周转时间：作业进入系统到完成并退出所用时间）

（2）无交互能力

【分时操作系统】

• 定义：在一台主机上连接多个带有显示器和键盘的终端，同时允许多个用户通过自己的键盘，以交互的方式使用计算机，共享主机中的资源。
• 动力：用户需求，交互、共享主机、方便上机。
• 特点：

（1）多路性：允许同一主机连接多台终端。

（2）独立性：每一个用户独占一个终端。

（3）及时性：用户请求能够及时响应。

（4）交互性：可进行广泛的人机对话。

【PC】Personal Computers

• 单用户单任务OS：DOS
• 支持16个任务并发执行：IBM
• 最广泛应用的OS：Windows

【OS的现状】

• 桌面操作系统

Windows、Linux、MacOS等

• 服务器操作系统

Unix/类Unix系列、Windows等

• 智能手机操作系统和平板电脑操作系统

Android、Apple iOS

1.7 OS对一个程序的处理过程

“hello world”在Linux上运行

【程序代码】

【处理过程】

1.用户输入命令，shell进程被唤醒，对命令解析；

·用户敲击键盘后，键入的信息记录在终端设备文件（tty0）上。

·产生键盘中断信号，系统对键盘中断信号进行处理。

·中断服务程序开始执行后，唤醒shell进程，通过进程调度机制，由进程0切换到shell进程去执行。

·shell进程从tty0终端设备文件上读取用户键入的指令信息，解析该指令，并准备进行相应的处理。

2.调用fork创建一个用户进程，对程序进行控制；

创建进程控制块（task_struct），包括：

（1）进程状态、进程对应的文件

（2）进程调度信息

（3）内存管理信息

（4）文件管理信息

3.加载hello world文件对应的程序；

注：文件和内存是所有进程可以共用的资源，它们之间还存在着更为复杂的管理关系。

如:两个进程加载同一个hello world文件时，涉及要不要共享，如何共享，共享后页面的引用计数如何计算，读写属性如何确定等。

4.程序开始执行，将“hello world”显示在屏幕上。

设备管理：直接与显示器的底层交互。

步骤：

（1）确定操作合法，然后将字符串转换成像素

（2）将像素写入存储映像区

（3）视频硬件将像素表示转换成一组模拟信号控制显示器

（4）在屏幕上看到“hello world”

问：如果没有操作系统，会怎样？

1.即使是在屏幕上显示一行“hello world”，都要写大量复杂的、具有操作系统所具备的功能的程序

2.甚至无法把程序加载到计算机中，更谈不上得到运行结果了。

【OS在应用程序运行时的作用】

即，OS对应用程序的运行做了什么？

1.提供了对外设的支持

2.支持多个程序同时运行（对运行的多个程序进行有效的组织、管理和协调，防止某个程序独占CPU、内存、外设等资源；防止正在运行的程序之间相互读写和相互覆盖，确保所有程序正确运行）

注意：操作系统不能被应用程序直接读写，更不能被应用程序覆盖。

1.8 写在最后

        本文是操作系统系列的第一篇，主要概述绪论部分的内容；也是初九2022年的第一篇文，希望你新年快乐( •̀ ω •́ )✧