操作系统概述
1 什么是操作系统
没有一个完整、精确、公认的定义
是系统软件
- 用户角度上，os是一个控制软件
- 管理应用程序
- 为应用程序提供服务
- 杀死应用程序
- 资源管理
- 管理外设、分配资源
操作系统层次架构 - 应用程序之下
- 硬件之上
应用软件：办公软件、视频播放软件
- 操作系统位于应用软件之下，为应用软件提供服务支撑
shell : 对外接口等
kernel:操作系统内部组件：
- CPU调度器
- 物理内存管理
- 虚拟内存管理
- 文件系统管理
- 中断处理与设备驱动（和底层硬件直接打交道）
OS kernel的特征：
- 并发（一个时间段，多个CPU）
- 计算机系统中同时存在多个运行的程序，需要OS管理和调度
- 共享
- “同时”访问
- 互斥共享
- 虚拟
- 利用多道程序设计技术，让每个用户都觉得有一个计算机专门为他服务
- 异步
- 程序的执行不是一贯到底，而是走走停停，向前推挤的速度不可预知
- 但只要运行环境相同，OS需要保证程序运行的结果也要相同
2 为什么学习操作系统
3 如何学习操作系统
4 操作系统实例
unix(apple)、linux(android\windows)
5 操作系统的历史
随着硬件、计算机体系结构等变化
- 早期计算机使用纸带传输程序和数据
操作系统只起到加载作用
数据传到计算机上去，再传出来（机械简单的过程） - CPU等硬件快速发展，计算机速度得到提升，性能未得到充分利用
- 批处理阶段（并发）
- 内存的容量越来越大、CPU执行多个程序（多道程序设计，1个CPU）
- 为了更好的利用计算机资源，并且更好的和用户交互，出现了分时系统（把时间分为很小的一段，人感知不到，中断帮助os实现分时）
- 个人电脑操作系统
- 网络的快速发展，出现了分布式操作系统（计算存储工作通过数据中心来完成，中间通过internet来连接在一起）
- 未来发展趋势：多台计算机围绕1个人工作
6 操作系统的结构
汇编语言与机器绑定，不具移植性
C语言有移植性
-
简单操作系统：MS－DOS（1981-1994）
- 部分模块的单体内核
- 功能比较弱
- 易受攻击、破环
- 受制于硬件
-
Unix ，采用C语言
-
微内核的设计，尽可能把内核功能移到用户空间，内核中只放基本的，松耦合，但如果文件管理和内存管理交互要通过内核，性能不高
-
学术界还有一种更极端的方式——外核。把内核分为2部分，一部分跟硬件打交道完成硬件资源的复制；一部分与具体应用打交道，在第一部分之上。速度得到提高
-
虚拟机监控器(VMM)：将单独的机器接口转换成很多的幻象，每个这些接口（虚拟机）是一个原始计算机系统的有效副本，并完成所有的处理器指令（虚拟出n个计算机系统（完整的计算机），使得在一台物理计算机上有多台的计算机系统给上曾使用，一台变多台）
操作系统之下是vmm，vmm之下才是硬件
7 启动、中断、异常和系统调用
7.1 计算机启动
开机主要是开上面3个
os最开始放在os，不在内存
DISK：存放os
BIOS：基于I/O处理系统（按电源后检测各种外设，去加载相应的软件执行）
- 第一步从特定的地址开始执行
- POST(加电自检)
- 寻找显卡（屏幕）和执行BIOS（键盘鼠标）
- 把Bootloader（加载os）从硬盘放到内存中去，最初在在硬盘的第一个主引导扇区
第1个扇区为512个字节
7.2 操作系统与设备和程序交互（中断异常系统调度）
面向外设通过中断和IO进行处理
面向应用程序通过系统调用和异常来启动相应的功能
定义：
- 系统调用（来源于应用程序）
应用程序主动向操作系统发出服务请求（应用程序向操作系统发送指令） - 异常（来源于不良的应用程序）
非法指令或其他换的处理状态（如内存出错）（应用程序在执行过程中出现异常，需os来完成相应的功能） - 中断（来源于外设）
来自不同的硬件设备的计时器和网络的中断
应用程序为什么要通过os与硬件联系?
- 在计算机运行中，内核是被信任的第三方（应用程序不可信任，os可信任）
- 只有内核可以执行特权指令
- 为了方便应用程序（os使得应用软件屏蔽底层的device，os向上提供一个简洁的接口，使应用软件更具移植性）
中断异常系统调用的差异
- 源头：
- 中断：外设
- 异常：应用程序意想不到的行为（访问了不该访问的地址空间；资源未得到满足，但os悄悄准备好了）
- 系统调用：应用程序请求操作提供服务（读写文件）
- 处理时间
- 中断：异步 （应用程序不知道导致中断的事件什么时候产生）
- 异常：同步（除0就会产生异常）
- 系统调用：同步（发出请求是同步的）或异步（返回是可能是同步也可能异步。应用程序发出请求后马上去做其他事情，返回就是异步的；发出请求后等待就是同步的）
- 响应状态
- 中断：持续，对用户应用程序是透明的
- 异常：杀死或重新执行意想不到的应用程序指令
- 系统调用：等待和持续后继续执行
中断和异常处理机制
- 中断是外设的事件
- 异常是内部CPU的事件
- 中断和异常迫使CPU访问一些被中断和异常服务访问的功能
中断
-
硬件：
- 设置中断标记（CPU初始化）
- 将内部外部事件设置中断标记
- 中断事件的ID
中断事件的ID值程序访问的中断向量地址
中断就是打断了正在执行的程序去执行更为紧急的事件，对此需要对硬件和软件进行一定的保护（保存和恢复机制），以此保障处理完中断后还能继续执行原来的程序
- 设置中断标记（CPU初始化）
-
软件：
- 保存当前处理状态
- 中断服务程序处理
- 清除终端标记
- 恢复之前保存的处理状态
异常：异常编号
- 保存现场
- 异常处理
- 杀死产生了异常的程序
- 重新执行异常指令（os进行弥补工作，处理异常）
- 恢复现场
软件系统感知不到异常，不知道什么时候会异常
系统调用
应用程序调用printf()，会出发系统调用write()
- 程序访问主要是通过高层次的API接口而不是直接继续进行系统调用
用户态：os运行过程中CPU所处的一个状态，只能执行部分指令（机器指令、访问IO）
内核态：os运行过程中CPU所处的一个状态，能执行所有指令（特权，IO。。。）
当系统调用时，会实现从用户态到内核态的转变，控制权从应用程序交到os，os可以对发出的系统调用做出标识识别，以完成具体的服务
应用程序发出： - 函数调用，在一个栈空间内实现参数的传递和返回
- 系统调用，os和应用程序有各自的堆栈，切换堆栈转换状态都需要开销，开销的回报就是安全可靠
验证参数是说，os不信任应用软件，要进行验证
开销是值得的必须的
