操作系统复习：引论

引论

1. 背景引入

冯诺依曼机（硬件）组成：

Note：《计算机组成原理》这门课就是由冯诺依曼体系机的组成划分，依次介绍说明了计算机。

现代操作系统组成：
$$现代计算机系统的组成\{\begin{array}{l}硬件设备\{\begin{array}{l}处理器\\ 主存\\ 磁盘\\ IO设备\end{array}\\ 软件\{\begin{array}{l}系统软件\{\begin{array}{l}操作系统\\ 语言处理程序\\ 通用程序\\ 服务支持软件\end{array}\\ 应用软件\end{array}\end{array}$$

1. 1 关于用户态和内核态的简单讨论

计算机有两种运行模式：内核态（管态、核心态）和用户态。

• 操作系统运行在内核态

  具有对所有硬件的完全访问权，执行任何机器能够执行的任何指令

• 其他软件运行在用户态

  用户态只使用了机器指令中的一个子集，特别的，影响机器控制或者IO的指令，在用户态中是禁止的

用户接口程序（shell或者GUI）处于用太太的最低层次，允许用户运行其他程序。

1.2 什么是操作系统

操作系统是运行在内核态的软件。有两部分的任务：

• 为应用程序员提供资源集的抽象
• 管理硬件资源

1.2.1 作为扩展机器的操作系统

操作系统的任务是创建好的抽象，并实现和管理它所创建的抽象对象

example：需要对IO操作深入了解 -> 驱动程序 -> 文件系统（不用在乎细节）

注意区别两个接口：

• 用户与软件的接口：GUI
• 软件（编写软件的程序员）与硬件机器：操作系统

1.2.2 作为资源管理者的操作系统

自顶向下的观点：操作系统是向用户程序提供基本抽象的概念

自底向下的观点：操作系统用来管理复杂系统的各个部分。——有序处理竞争的程序之间对处理器、存储器以及其他的IO接口设备的分配。

1.2.2.1 对资源的管理

多道程序之间存在共享：

• 共享硬件
• 共享信息（文件、数据等）

操作系统的主要任务是记录哪个程序在使用什么资源，对资源进行分配，评估使用代价，为不同的程序和用户调解相互冲突的资源请求。

1.2.2.2 对资源管理的方法

• 在时间上复用

  不同的程序轮流使用它。

• 在空间上复用

  每个客户都得到资源的一部分，example：若干程序之间分割内存

1.2 操作系统历史

操作系统的发展是重叠的。

1.2.1 第一代：真空管和穿孔卡片

没有程序设计语言，没有汇编语言，没有操作系统

1.2.2 第二代：晶体管和批处理系统

• IBM 1401：将卡片读入磁带
• IBM 7094：完成真正的计算

1.2.3 第三代：集成电路和多道程序设计

计算机发展的两种方向：

• 大型机
• 面向商务的计算机

1.2.3.1 多道程序设计

将内存分区，每一部分存放不同的作业。

当一个作业等待IO完成时，另一个作业可以使用CPU。当作业足够多时，CPU的使用率可以接近100%。

1.2.3.2 SPOOLing技术

SPOOLing技术是一种输入输出技术。

第三代计算机的另一个特点是，卡片被拿到机房后能够很快的将卡片读入磁盘。于是，任何一个时刻，当一个作业结束时，操作系统就能将一个新作业从磁盘读出，装入内存的区域运行。这种技术叫做同时的外部机器联机操作（Simultaneous Perpheral Operation On Line， SPOOLing），该技术也用于输出。

有了SPOOLing技术后，就不再需要IBM 1401机了。

1.2.3.3 进一步发展：分时系统

出现背景：第三代计算机是批处理系统的一个变体，适用于大型科学计算和繁忙的商务数据处理，本质仍是批处理系统。程序员怀念第一代处理的方式，因为可以独占计算机，不断debug。现在从一个作业提交到取回，往往花费较长时间，一个逗号的误用可能造成编译失败，浪费程序员较多时间。

多道程序的变体，每个用户都有一个联机终端。系统轮流为各个用户服务。用户的指令较为简短，不会很耗时。

1.2.3.4 MULTICS与云计算

着眼于制造满足波士顿地区所有用户计算需求的一台机器。

计算服务以“云计算”的形式回归。

1.2.3.5 小型机的崛起

IEEE定义了POSIX规范，大多数的UNIX版本支持它。POSIX定义了一个凡是UNIX必须支持的小型系统调用接口。

并且提出了MINIX

1.2.4 第四代：个人计算机

1.2.5 第五代：移动计算机

1.3 计算机硬件简介

1.3.1 处理器

1.3.1.1 处理器基本概念

CPU基本周期：取指->译码->执行

每个CPU有专属的指令集，故x86不能执行ARM程序；ARM不能执行x86程序。

寄存器的出现：访存时间较长，使用寄存器暂存数据
$$
寄存器的分类\begin{cases}
程序计数器：保存下一条指令地址\
堆栈指针：指向堆栈的顶端\
程序状态字：包含条件码位等\

\end{cases}
$$
OS必须知道所有的寄存器：保存现场

提高性能：流水线的出现

关于内核态和用户态：

PSW中有一个二进制位控制这两个模式

• 当在内核态运行时，CPU可以执行指令集中的每一条指令，使用硬件的每一种功能

• 用户态时，仅允许执行整个指令集的一个子集和访问所有功能的一个子集

  为了从操作系统中获取服务，用户程序必须使用系统调用以陷入内核并调用操作系统

  TRAP指令把用户态切换成内核态，并启用操作系统。

1.3.1.2 多线程和多核芯片

多线程和超线程的概念。

多线程：允许CPU保持两个不同的线程状态，然后再纳秒级别的时间尺度内来回切换。

GPU：由成千上万的微核组成的处理器，擅长大量并行简单计算，比如在图像应用中渲染多边形

1.3.2 存储器

理想存储器：

• 迅速
• 充分大
• 非常便宜

现有技术无法满足。于是存储器系统采用分层结构：

每一层：

寄存器使用和CPU一样的材料制成，非常快，没有时延。

高速缓存被分割成高速缓存行，高速缓存甚至有两级或者三级，每一级比前一级容量大且慢。

L1缓存：CPU中，存储解码的指令

第二个L1缓存：频繁使用的数据字

L2缓存：若干兆字节内存字

RAM：随机访问存储器

ROM：只读存储器；用于启动计算机的引导模块放在ROM中

1.3.3 磁盘

成本低，随机访问数据时间慢了3个数量级。低速的原因是磁盘是一种机械装置：

磁道，柱面的概念

虚拟内存机制：使得运行大于物理内存的程序称为可能，其方法是将程序放在磁盘上，而将主存作为一种缓存，用来保存使用最为频繁的部分。这种机制需要快速映像内存地址，内存映像由存储器管理单元（MMU）完成。

一个程序切换到另一个程序，有时称为上下文切换，有必要对来自缓存的所有修改写回磁盘。

1.3.4 I/O设备

I/O设备包括两个部分：

• 设备控制器：为操作系统提供一个简单的接口
• 设备本身

1.4 操作系统大观园

1.4.1 大型机操作系统

1.4.2 服务器操作系统

通过网络同时为多个若干个用户服务，允许用户共享硬件和软件资源。

1.4.3 多处理器操作系统

1.5 操作系统概念

常见问题

Q：为什么要系统调用？

• 当在内核态运行时，CPU可以执行指令集中的每一条指令，使用硬件的每一种功能

• 用户态时，仅允许执行整个指令集的一个子集和访问所有功能的一个子集

  为了从操作系统中获取服务，用户程序必须使用系统调用以陷入内核并调用操作系统

  TRAP指令把用户态切换成内核态，并启用操作系统。

Q：系统调用的过程？

• 参数传递：由于用户空间和内核空间使用不同的栈空间，因此系统调用的参数需要使用寄存器进行传递。

• 执行陷入指令（read，fork等等），引发一个内中断，使 CPU 进入内核态

• 在内核态，执行相应的请求，内核程序处理系统调用

• 返回应用程序