OS
概述
无论何时要放在一个大系统环境中去理解操作系统
计算机系统组成
计算机系统：硬件子系统 + 软件子系统
硬件：各种物理部件的有机组合，系统工作实体
软件：各种程序和文件，用于指挥计算机系统按指定要求协同工作
软硬件协同，硬件抽象为文件、外部shell
结构复杂的软件：工程化、社会计算性、文化性，考虑综合效益
用户视图
用户、程序员、语言处理程序设计者、操作系统设计者的视图是不同的，越往下能够看到和专注的地方越底层，分层思想
硬件系统
组成：中央处理器、主存、外围设备、总线
当今计算机硬件经典结构与主流组织方式：存储程序计算机。又称冯诺依曼计算机模型，现如今沿用的大得多还是该结构，由输入设备、存储器、控制器、运算器、输出设备五部分构成。
总线
总线（Bus）是计算机各种功能部件之间传送信息的公共通信干线，它是CPU、内存、输入输出设备传递息的公用通道
计算机的各个部件通过总线相连接，外围设备通过相应的接口电路再与总线相连接，从而形成了计算机硬件系统
总线类型
内部总线：CPU内部
系统总线：连接CPU、存储器和各种I/O模块主要部件
通信总线：用于计算机系统之间通信
系统总线实例：南桥、北桥。还挺意外的，原来所谓北桥就是主存控制器，南桥为I/O控制器
软件系统
组成：系统软件、支撑软件、应用软件
系统软件：操作系统、实用程序、语言处理程序、数据库管理系统
支撑软件：接口软件、工具软件、环境数据库，支持用户使用计算机的环境，提供开发工具，也可认为是系统软件的一部分
应用软件是用户按其需要自行编写的专用程序
操作技术发展
操作平台与操作系统
手工操作->装入程序引进->汇编语言引入->高级语言引入->简单批处理系统->操作系统与自动化操作
操作系统
OS是计算机系统最基础的系统软件，管理软硬件资源、控制程序执行，改善人机界面，合理组织计算机工作流程，为用户使用计算机提供良好运行环境。
OS是计算机系统的公共软件基础设施，所有应用程序共用OS服务，且OS内核是反应式reactive机制（中断驱动的）
操作系统组成：进程调度子系统、进程通信子系统……
操作系统类型：多道批处理操作系统、分时操作系统、实时操作系统
操作系统应用领域分类：服务器、并行、网络、手机、嵌入式……
计算无处不在，软件定义世界不过显然没有硬件加以匹配，这话也只能成为一句空话
资源管理视角
计算机系统资源：
硬件资源：处理器、内存、外设
信息资源：数据、程序
思考如何高效管理计算机的软硬件资源？
当底层的实现较为复杂时，显然就会有人帮我们做好抽象与屏蔽。驱动程序！
驱动程序：最底层的、直接控制和监视各类硬件资源的部分
资源的共享方式：
独占使用、并发使用
资源分配策略：
- 静态分配：进程运行前一次拿到全部独占资源，资源使用效率低
- 动态分配：使用资源前临时申请，可能产生竞争资源的死锁
- 资源抢占：被抢夺资源进程需要回滚
程序控制执行视角
由于CPU速度与I/O速度不匹配的矛盾非常突出，只有让多道程序同时进入内存争抢CPU运行，才可以够使得CPU和外围设备充分并行，从而提高计算机系统的使用效率
多道程序设计：让多个程序同时进入计算机的主存储器进行计算
多道程序设计的特点：
- CPU与外部设备充分并行
- 外部设备之间充分并行
- 发挥CPU的使用效率
- 提高单位时间的算题量
- 单道程序运算时间会增加
多道程序系统的实现：
- 为进入内存执行的程序建立管理实体：进程
- OS应能管理与控制进程程序的执行
- OS协调管理各类资源在进程间的使用
- 处理器的管理和调度
- 主存储器的管理和调度
- 其他资源的管理和调度
多道程序系统的实现要点：
- 如何使用资源：调用操作系统提供的服务例程(如何陷入操作系统)
- 如何复用CPU：调度程序(在CPU空闲时让其他程序运行)
- 如何使CPU与I/O设备充分并行：设备控制器与通道(专用的I/O处理器)
- 如何让正在运行的程序让出CPU：中断(中断正在执行的程序，引入OS处理)
操作控制计算机视角
计算机系统操作方式
- OS规定了合理操作计算机的工作流程
- OS的操作接口——系统程序
OS提供给用户的功能级接口，为用户提供的解决操作计算机和计算共性问题的所有服务的集合 - OS的两类作业级接口
- 脱机作业控制方式：作业控制语言
- 联机作业控制方式：操作控制命令
命令解释程序：接受和执行一条用户提出的对作业的加工处理命令，好像就是命令行交互式吧
人机交互视角
操作系统的人机交互部分
- OS改善人机界面，为用户使用计算机提供良好的环境
- 人机交互设备包括传统的终端设备和新型的模式识别设备
- OS的人机交互部分用于控制有关设备运行和理解执行设备传来的命令
- 人机交互功能是决定计算机系统友善性的重要因素，是当今OS研发热点
“人而不是技术是人机交互的中心”，代表性成果：鼠标、菜单与窗口控制
程序接口视角
操作系统的程序接口
- 操作系统的程序接口：操作系统为程序运行扩充的编程接口
- 系统调用：操作系统实现的完成某种特定功能的过程；为所有运行程序提供访问操作系统的接口
- POSIX支持
系统调用的实现机制
- 陷入处理机制：计算机系统中控制和实现系统调用的机制
- 陷入指令：也称访管指令，或异常中断指令，计算机系统为实现系统调用而引起处理器中断的指令
- 每个系统调用都事先规定了编号，并在约定寄存器中规定了传递给内部处理程序的参数
系统调用的实现要点
- 编写系统调用处理程序
- 设计一张系统调用入口地址表，每个入口地址指向一个系统调用的处理程序，并包含系统调用自带参数的个数
- 陷入处理机制需开辟现场保护区，以保存发生系统调用时的处理器现场
系统调用实现流程：
用户进程->系统调用功能号->进入内核->保护CPU现场->获取系统功能号、获取入口地址->系统调用处理子程序->结束处理、恢复现场
Linux系统调用执行流程：
应用程序->C库展开->中断处理->内核函数
系统结构视角
在计算机软件发展史上，OS是第一个大规模的软件系统
OS作为大型软件，结构设计是关键
操作系统软件的结构设计
- OS构件
内核、进程、线程、管程等 - 设计概念
模块化、层次式、虚拟化 - 内核设计是OS设计中最为复杂的部分
操作系统内核：
- 单内核：内核中各部件杂然混居的形态，始于1960年代，广泛使用；如Unix/Linux，及Windows(自称采用混合内核的CS结构)
- 微内核：1980年代始，强调结构性部件与功能性部件的分离，大部分OS研究都集中在此
- 混合内核：微内核和单内核的折中，较多组件在核心态中运行，以获得更快的执行速度
- 外内核：尽可能减少内核的软件抽象化和传统微内核的消息传递机制，使得开发者专注于硬件的抽象化；部分嵌入式系统使用
处理器管理
处理器与寄存器
用户程序可见寄存器：
- 可以使程序员减少访问主存储器的次数，提高指令执行的效率
- 所有程序可使用，包括应用程序和系统程序
- 数据寄存器：通用寄存器
- 地址寄存器：索引、栈指针、段地址等寄存器
控制与状态寄存器：
- 用于控制处理器的操作；主要被具有特权的操作系统程序使用，以控制程序的执行
- 程序计数器PC：存储将取指令的地址
- 指令寄存器IR：存储最近使用的指令
- 条件码CC：CPU为指令操作结果设置的位，标志正/负/零/溢出等结果
- 标志位：中断位、中断允许位、中断屏蔽位、处理器模式位、内存保护位……
指令与处理器模式
指令
机器指令：
- 机器指令是计算机系统执行的基本命令，是中央处理器执行的基本单位
- 指令由一个或多个字节组成，包括操作码字段、一个或多个操作数地址字段、以及一些表征机器状态的状态字以及特征码
- 指令完成各种算术逻辑运算、数据传输、控制流跳转
指令执行过程：
- CPU根据PC取出指令，放入IR，并对指令译码，然后发出各种控制命令，执行微操作系列，从而完成一条指令的执行
- 一种指令执行步骤如下：
- 取指：根据PC从存储器或高速缓冲存储器中取指令到IR
- 解码：解译IR中的指令来决定其执行行为
- 执行：连接到CPU部件，执行运算，产生结果并写回，同时在CC里设置运算结论标志；跳转指令操作PC，其他指令递增PC值
指令执行周期：包括取指、解码、执行过程
指令流水线：充分调度CPU
特权指令：只能被操作系统内核使用的指令
非特权指令：能够被所有程序使用的指令
处理器模式
处理器模式：
- 计算机通过设置处理器模式实现特权指令管理
- 计算机一般设置0、1、2、3等四种运行模式，建议分别对应：0操作系统内核、1系统调用、2共享库程序、3用户程序等保护级别
- 0模式可以执行全部指令；3模式只能执行非特权指令；其他每种运行模式可以规定执行的指令子集
- 一般来说，现代操作系统只使用0和3两种模式，对应于内核模式和用户模式
处理器模式切换：
- 包括“用户模式→内核模式”和“内核模式→用户模式”的转换
- 中断、异常或系统异常等事件导致用户程序向OS内核切换，触发：用户模式→内核模式
- 程序请求操作系统服务
- 程序运行时发生异常
- 程序运行时发生并响应中断
- OS内核处理完成后，调用中断返回指令（如Intel的iret）触发：内核模式→用户模式
中断与中断源
中断：中断是指程序执行过程中，遇到急需处理的事件时，暂时中止CPU上现行程序的运行，转去执行相应的事件处理程序，待处理完成后再返回原程序被中断处或调度其他程序执行的过程
操作系统是“中断驱动”的，换言之，中断是激活操作系统的唯一方式？此话何解，不过操作系统本身确实也是大型程序，在其上运行其他程序也必然需要中断吧。
中断、异常与系统异常：
- 狭义的中断指来源于处理器之外的中断事件，即与当前运行指令无关的中断事件，如I/O中断、时钟中断、外部信号中断等
- 异常指当前运行指令引起的中断事件，如地址异常、算术异常、处理器硬件故障等
- 系统异常指执行陷入指令而触发系统调用引起的中断事件，如请求设备、请求I/O、创建进程等
中断源：硬件故障中断事件、程序性中断事件、自愿性中断事件、I/O中断事件、外部中断事件
中断系统
中断系统是计算机系统中响应和处理中断的系统，包括硬件子系统和软件子系统两部分
中断响应由硬件子系统完成
中断处理由软件子系统完成
中断响应过程：
- 发现中断源，提出中断请求
- 发现中断寄存器中记录的中断
- 决定这些中断是否应该屏蔽
- 当有多个要响应的中断源时，根据规定的优先级选择一个
- 中断当前程序的执行
- 保存当前程序的PSW/PC到核心栈
- 转向操作系统的中断处理程序
中断的处理：
- 中断处理程序
操作系统处理中断事件的控制程序, 主要任务是处理中断事 件和恢复正常操作 - 中断处理过程
- 保护未被硬件保护的处理器状态
- 通过分析被中断进程的PSW中断码字段，识别中断源
- 分别处理发生的中断事件
- 恢复正常操作
多中断响应与处理
中断屏蔽：当计算机检测到中断时, 中断装置通过中断屏蔽位决定是否响应已发生的中断，从而进行有选择的响应中断
中断优先级：当计算机同时检测到多个中断时, 中断装置响应中断的顺序，不同类型操作系统有不同中断优先级
中断嵌套处理：当计算机响应中断后，在中断处理过程中，可以再响应其他中断
多中断的响应与处理：
- 决定中断处理次序的因素：
- 中断屏蔽可以使中断装置不响应某些中断
- 中断优先级决定了中断装置响应中断的次序
- 中断可以嵌套处理, 但嵌套的层数应有限制
- 中断的嵌套处理改变了中断处理的次序
