§1 概论

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§1 概论

C1 技术背景
C2 系统结构
C3计算机启动(Bootstrapping)

Bootloader ：引导加载程序
MIPS环境启动
X86环境启动
内核镜像

C1 技术背景

1）作用：联系用户程序与底层硬件

为程序(员)提供良好，清晰，一致的抽象
分配资源给多个程序和用户

资源多路复用：时间上轮流使用，空间上划分多个区域进行分配
组织计算机系统工作流程，以改善系统性能

CPU调度	内存管理	文件系统	设备管理
进程通讯	内存保护	文件存储	设备缓冲
进程调度	内存分配	文件目录	设备分配
线程调度	内存扩充	文件保护
线程同步	地址映射	读写接口

2）操作系统发展史：个体重复系统发育：旧的思想可能在新技术的演化当中重新出现

批处理系统：收集作业-执行-输出集中进行，系统运行中用户不与程序交互
- 联机批处理：主机处理IO
- 脱机批处理：卫星机IO
- 多道批处理：可以多个程序
- IBM 7094+IBM 1401(机) 晶体管计算机
多道程序设计：轮流执行多个相互独立程序，提高时间并行度。引入进程调度和内存管理(同步外部设备联机操作(SPOOLing)，负责将作业从磁盘读入内存)。
- OS/360(机) 集成电路
分时系统：多用户按时间片使用CPU，提供快速实时交互服务
- 兼容分时系统：虚拟机技术？？？
- 计算服务：制造满足大量用户计算需求的大型机。其计算服务设想以云计算的形式得以保留。
- MULTICS $\xrightarrow{Simplify}$ UNIX(System V及BSD) $\xrightarrow{Standardize}$ POSIX (MINIX(可靠性，模块化)，LINUX)
磁盘支持：CP/M MS-DOS
GUI： Macintosh Windows95 Windows98 Vista … FreeBSD(X Window/X11视窗 Gnome KDE GUI)
网络操作系统：远程访问，多级互联。透明性：数据，执行和保护
分布式系统：网络支持一体化系统，模块化(不同机器协调处理不同操作系统任务)。允许一个应用运行在多计算机上，但需要处理器调度。由于网络延迟，还需要确保信息一致性。
移动系统：Symbian IOS Android

3）操作系统类型：

大型机操作系统：主要提供批处理，事务处理和分时。需要强IO能力。
- OS/390
服务器操作系统：提供网络服务若干用户，允许用户共享硬件和资源。
- Solaris FreeBSD Linux Windows Server 201x
多处理器操作系统：CPU集群系统或多核处理器
- Windows Linux
个人计算机操作系统：多道程序处理
- Linux Windows FreeBSD
掌上计算机操作系统：小型计算机，多数设备支持多核CPU，传感器
- IOS Android System Symbian
嵌入式操作系统：控制设备，不允许用户安装软件，或不可信软件。软件保存在ROM
- 嵌入式Linux QNX VxWorks
传感器节点操作系统：传感器节点网络，实时监测，信息收集。程序预先装载。
- TinyOS
实时系统：注重可靠性和安全性
- 硬实时：不允许超过时限否则有不可逆损失
- 软实时：没有不可逆损失
智能卡系统：含CPU芯片信用卡。有严格运行能耗和存储空间的限制。部分智能卡ROM中有一个Java虚拟机支持Java小程序。可能有原始的资源管理和保护

4）计算机硬件简介

程序状态字(PSW)：CPU中寄存器，包含条件码位(由比较指令设置)，CPU优先级，模式(用户/内核)其他控制位
内核态：CPU可以执行所有指令，操作系统运行在内核态故可以访问所有硬件资源，用户态下可通过系统调用指令切换到内核态，多数情况下是硬件异常中断导致进入内核态。
- 系统调用：将控制权交给操作系统并临时切换到内核态，以获取OS服务
- 过程：
  - 1° 传参：调用者将参数压栈，将系统调用的编号放到指定位置(如寄存器)。在C/C++中，逆序压栈
  - 2° 切换：使用Trap自陷，跳转到固定的异常处理向量-系统调用处理入口地址
  - 3° 分派：查系统调用编号，分配给请求的系统调用处理程序处理
  - 4° 返回：当系统调用处理结束，可能返回调用者(也可能阻塞直到完成)
  - 5° 退栈
- 分类：进程，文件，目录和文件系统，杂项
- POSIX库过程：
  - 进程：fork() waitpid() execve() exit()
  - 文件：open() close() read() write() lseek() stat()
    
    目录：mkdir() rmdir() link() unlink()
    
    文件系统：mount() umount()
  - 杂项：chdir() chmod() kill() time()
  - 上述库函数封装了系统调用来完成功能。一个系统调用可能用于多个库过程
- Windows Win32 API(Win32应用程序接口)
  - 包含大量过程调用，部分需要系统调用
  - 由于对早期系统向后兼容，Win32不是是否统一的接口。
超标量：具备多个处理取指，解码，执行单元，由OS和硬件共同保持程序被顺序执行
多线程：每个CPU有多个线程处理同一进程，可以增加逻辑处理器的数目
上下文切换：从一个程序切换到另一个程序。需要将缓存写回，并修改MMU等。
CPU缓存：L1(16KB)缓存已解码指令以及频繁使用的数据字(一般在另一个L1)，L2作为L1的下级缓存，L1无延时。Intel选择L2在处理器间共享，需要复杂缓存控制器。AMD选择每个CPU独享L2，但存在缓存一致性问题。

5）shell：文本式命令解释器，不作为操作系统的组成部分

C2 系统结构

1）宏内核/单体系统：系统以过程集合编写，链接成大型可执行文件。可以有一定结构(主过程-服务过程-实用过程)

过程间可不受限制地相互调用，使得系统笨拙难以理解
任何过程的崩溃会导致整个系统的崩溃
许多操作系统支持可装载扩展(IO设备驱动和文件系统)，UNIX中称共享库，Windows中称动态链接库(.dll)

2）层次式系统：为系统划分层次，上层程序依赖于下层程序

THE系统 $\xrightarrow{Advance}$ MULTICS系统，MULTICS使用硬件实现的同心环层次，内层等级高，通过TRAP进入内层。易于实现扩展，构建用户子系统。（如n层放评测机，n+1层放学生端）

3）微内核系统/模块系统：只有一个模块作为微内核运行在内核态，而其他功能弱的模块运行在用户态。

内核态切换增加开销。接口定义困难无序。
可移植性好，高内聚低耦合，加速研制，便于维护，适合分布式系统。可使用机制与策略分离使得内核减小。限制了用户态进程的权限，避免其崩溃拖垮系统，提升了系统可靠性。
代表： ~~Unix~~ MINX、OS X、Symbian、QNX、PikeOS、L4、K42、Integrity
- LINUX是宏内核结构，但吸收了模块化设计思想
- Windows是微内核系统

4）客户端-服务器模式：将进程分为服务器和客户端两类。通过消息通讯进行服务。

可应用与单机或者网络机器

5）虚拟机系统：创建机器的精确复制(包括内核态和用户态，所有的中断和IO功能)作为虚拟机，虚拟机上可以运行不同的操作系统。

将多道程序功能和提供扩展机器分离，灵活易维护。
第二类虚拟机：利用宿主操作系统提供服务，不需要客户操作系统实现底层功能。第二类虚拟机从CD-ROM安装盘读入系统并安装在虚拟盘（实际上是一个大文件）。第一类虚拟机需要在原始硬盘分区上自行管理存储。
代表：VM/370(虚拟机上支持会话监控系统CMS以及大型批处理系统)

6）外核：对机器进行分区，分配给多个用户。外核运行在内核态，为虚拟机分派资源，检查请求权限。

虚拟机系统上每个虚拟机认为有独立的资源（磁盘、内存），故需要重定位机制。而外核的虚拟机资源地址是确定的，减少了映像层，使其更加简单。

C3计算机启动(Bootstrapping)

OS启动是逐步释放系统灵活性的过程

Bootloader ：引导加载程序

stage1：初始化硬件，由汇编语言完成

stage2：将内核镜像装入系统，由C语言完成
MIPS：U-Boot；X86：LILO和GRUB
- U-Boot： Universal Boot Loader 开源，支持多种嵌入式系统和处理器，功能强大
- LILO：最早的Linux加载器，快速启动安装。局限在于LILO配置修改需要同时修改MBR，错误的MBR可能导致无法引导
- GRUB：交互命令界面，支持网络引导。若配置文件错误，转到GRUB命令行。在stage1.5，GRUB识别文件系统，故后续操作可使用文件系统完成
Bootloader的实现依赖于具体硬件。即使是支持较多CPU架构的U-Boot使用时也需要做响应的移植

MIPS环境启动

1）MIPS内存空间：

kuseg：2G用户区，MMU映射
kseg0：512M，高三位清零，cache存取，操作系统存放(0x80010000-0x80400000)
kseg1：512M，高三位清零并映射到低段，非cache存取，一般是外设。
- kseg1是重启时唯一可用空间
- 启动入口地址0xBFC00000，映射到0x1FC00000
kesg2：1G内核区，MMU映射

2）机器启动：

board_init_f进行硬件初始化(串口、内存、时钟、环境变量等)
初始化堆栈，划分内存，预留U-boot代码空间，并将其从flash载入内存
board_init_r初始化flash，外设，PCI通讯，进入命令行启动Linux Kernel

3）Linux系统启动：

Head.S：
- Bootloader将内核镜像载入内存
- /arch/mips/kernel/head.s开始，此处是内核入口函数kernel_entry()。
  
  初始化内核堆栈，清零bss段。
start_kernel：
- 启动内核，完成页表设置，调度器初始化，时钟设置、系统时间、控制台，内存管理等等。

X86环境启动

1）BIOS(Basic IO System)：固化在ROM芯片上，提供底层硬件设置和控制。称为固件。含CPU信息，设备启动顺序，硬盘内存，时钟信息，PhP特性等等

※实际上BIOS具有局限性（寻址空间小），后续发展的有同一可扩展固件接口UEFI。UEFI支持大容量硬盘引导，支持不同OS环境甚至网络OS（硬件支持），支持不同CPU体系结构和驱动（可移植），属于模块化设计

2）主引导记录(MBR)：固定位于磁盘第0磁头第0磁道第一个扇区(大小512KB)。

包含已安装系统的Bootloader信息。
包含分区表，分区表由4个分区项(每项16KB)构成。分主分区(1-4个)、扩展分区（0-1个）、逻辑分区(n个)。主分区只有一个是激活的。OS安装在主分区。
每个分区第一个扇区是Boot Sector

3）启动：

BIOS阶段
- BIOS硬件自检：扫描RAM数量，键盘基本设备，然后是PCIe，PCI设备，最后是即插即用设备，若有硬件更新则更新配置。若硬件出问题则发出不同蜂鸣。
- 启动顺序：查CMOS中设备清单决定是否启动，若有USB设备，优先从USB启动(读入第一个扇区，执行上面的程序，找到活动分区的Bootloader来启动系统)
MBR阶段与Bootloader阶段：
- 读取MBR到0x7c00处
- 检查0x7fde是否为0xaa55(MBR的魔数)如果不是会转到其他介质（直到没有介质则显示NO ROM BASIC死机）
- 跳转到0x7c00执行MBR中程序
- 将自己复制到0x0600
- 搜索活动分区，若发现没有唯一活动分区则停止
- 活动分区读入0x7c00，检查0x7dfe是否为0xaa55。若不是则显示MISSING Operating System后停止或尝试软盘启动
- 跳到0x7c00处继续执行启动

内核镜像

内核的压缩文件，非可执行的内核

zImage小于512K
bzImage大于512K，包含引导代码，启动代码和压缩的OS代码

OS-S1 操作系统概论