操作系统复习
第一章 操作系统概述
基本概念
- 吞吐量：单位时间内系统能处理的工作量。
- 进程：正在动态执行的程序
- 实时操作系系统：实时计算。计算的正确性不仅依赖于系统计算的逻辑结果，还依赖于产生这个结果的时间一类的计算。
- 操作系统的特征：现代操作系统大多支持多任务，具有并发、共享、虚拟、异步的特征。
单道批处理系统
- 特性：自动性、顺序性、单道性。
- 作业独占CPU和内存。
多道批处理系统
- 特性： 多道性、无序性、调度性、复杂性。
- 优点：提高CPU的利用率、提高内存和I/O设备的利用率、增加系统吞吐量。
- 缺点：平均周转时间长（每个任务都存在等待时间） （2）缺乏交互能力
操作系统的功能
1.存储器管理功能
（1） 内存分配：静态分配、动态分配
（2） 内存保护
（3） 地址映射： 需配合硬件完成。其结果为逻辑地址映射为物理地址。
逻辑地址从哪来：IR寄存器->译码->取操作数
（4） 内存扩充：虚拟存储技术。
2.进程管理功能
包括进程控制、进程同步、进程通信、进程调度
3.设备管理功能
设备管理应有以下功能：
（1） 缓冲管理：管理各种缓冲区。
（2） 设备分配：分配I/O所需的设备
（3） 设备处理：由设备驱动实现CPU与设备控制器间的通信。
（4） 设备独立性与虚拟设备
4.文件管理
主要解决：按名访问、文件存储的功能。
5.为用户提供接口
指令的执行
- 一条高级语言对应多条机器语言
- 程序的执行本质是指令一条条执行的过程，指令执行的本质只可能产生存储单元的变化。
- 取指令和执行指令是通过硬件完成的。
- 任何高级语言程序被编译成指令集合，其中的每一条指令都属于机器体系结构指令集。
- 硬件上下文：中断返回恢复被中断程序的执行时，必须要写回CPU寄存器的值。
第二章 进程的描述与控制
1.程序的并发执行
1.1 程序的顺序执行
程序的顺序执行时具有以下特点：顺序性、封闭性、可再现性。
1.2 程序的并发执行
程序的并发执行具有如下特点： 间断性、失去封闭性、不可再现性
不可再现性产生的原因：CPU交替执行指令，产生了不同的指令执行序列，导致结果不同。
2. 进程的描述
2.1 基本概念
- 进程的定义：进程是程序在一个数据集合上的运行过程。
进程时由正文段、用户数据段以及系统数据段共同组陈的一个执行环境。
程序的执行过程实际上是一个执行环境的总和。
进程的特征：1） 并发性：多个进程实体同存于内存中
2） 动态性：进程时进程实体的执行过程
3） 独立性：在没有引入线程的操作系统中，进程是独立 运行和资源调度的基本单位。
4） 异步性：进程以不可预知的速度向前推进，按异步方式运行。
5） 结构特征： 进程实体包括用户正文段、系统数据段和用户数据段。
进程与程序的比较：
区别：1）程序是静态的、进程是动态的。
2）程序是永久的，进程是暂时存在的。
3）进程与程序存在实体不同。程序是指令的集合，而进程包含了用户正文段、系统数据段、用户数据 段的实体。
联系： 进程是程序的一个执行，总是对应至少一个特定程序，而一个程序可对应多个进程。
操作系统内核是计算机硬件的第一次扩充。
2.2 进程控制块PCB
- 进程控制块是进程实体的一部分，是操作系统中最重要的记录型数据结构。
- \(time\_slice\) 字段用于记录进程在CPU上运行的时间片中还剩余的时钟节拍数。
3. 进程的控制
进程三种状态：就绪状态、执行状态、阻塞状态。
进程进程间三个基本状态之间的转换关系
4. 操作系统内核
4.1 操作系统如何被加载
- BIOS将当前磁盘的活动分区的第一个扇区（引导扇区）加载到内存
- 执行boot程序，从磁盘的文件系统中找到OS内核的加载程序（loader.bin），并且将loader.bin装入内存，跳转至loader.bin的第一条命令，开始执行loader.bin程序。
- 执行loader程序，将OS内核程序从外存装入内存。
- 内核从式模式跳转到保护模式的启用分页机制。
4.2 中断
什么是中断？
中断时改变处理器执行顺序的一种事件。
为什么引入中断？
引入中断后，CPU可以与其他设备并行工作，能够有效提高CPU的利用率，改善系统性能，支持系统的异步性。
中断的类型
分为：同步中断（内部中断或异常）、异步中断（外部中断）。内部中断：一条指令终止执行后CPU才会发出中断。异步中断：其他硬件设备按照CPU时钟信号随机产生。
关中断指令：由内核或基于硬件的软件执行。
对于可屏蔽中断，开中断是响应中断的前提。
响应中断的时机：对于外部中断，CPU每执行完一条指令都会检测是不是有外部中断信号到来，若有，则转中断处理。
检测到有中断信号，转中断处理的过程：
1）先保护断点，将当前要执行的下一条指令的地址保存到内存中，以便中断返回时能把这个地址恢复到PC中，使得，被中断的程序从断电出开始继续执行。
2）系统关闭中断，转中断处理程序，在中断处理程序中完成保护现场的工作，即把相关硬件上下文信息保存到内存中。
3）保护完现场，根据中断向量到中断向量表中（Linux中是到中断描述符表）找到与中断处理子例程入口地址的相关信息，根据这些信息找到中断处理子例程的入口地址，并执行中断处理子例程，完成本次中断处理的特定处理工作。
4）恢复现场，开中断，CPU返回断电处继续执行被中断程序 。
中断向量：中断向量是对不同中断源到来的信号编号。不可屏蔽中断的向量和异常的中断向量是固定的，而可屏蔽中断的向量可通过中断控制器的编程来实现。
中断描述符表（IDT）：一个系统表，每个中断或异常斗鱼向量联系，每个向量在表中都有唯一对应的表项，其中存有与中断或异常处理子程序入口地址的相关信息。OS初始化时，由OS执行汇编指令Idit加载进内存。
中断处理子程序的入口地址相关信息在内存中的地址 = idtr中的地址 + 8 * 中断向量
4.3 时钟管理
操作系统内核可以通过时间机制防止一个程序垄断CPU或者其他资源。
计算机系统中的时钟：
RTC时钟：又叫CMOS时钟。
OS时钟：产生于PC机主板上的定时/记数芯片。
可编程间隔定时器PIT：PIT按照一定的频率产生时钟中断，以告知内核又一个时间间隔过去了。
时钟滴答：OS时钟由可编程定时计数器输出脉冲触发中断而产生的，输出的脉冲中心叫做一个时钟滴答。
时钟中断间隔高：有些需要精确计时的应用无法正确运行
时钟中断间隔低：OS占用CPU高，吞吐量变低
因此，时钟中断间隔由系统性能决定。
4.4 系统调用
什么是系统调用？
系统调用是核心程序与用户程序之间的接口，是操作系统内核中预先定义好的模块。
系统调用与一般函数调用的区别：
1） 系统调用运行在系统态，一般函数运行在用户态。
2）系统调用与一般函数调用的过程不同。当系统调用执行时，当前进程被中断，由系统寻找相应的系统调用子程序，并在核心态下执行，执行结果返回进程。
3）系统调用要进行中断处理，比一般函数调用多了一些系统开销。
用户态执行：用户空间指的是用户进程所处的地址空间。一个用户进程不能访问其他进程的用户空间。只有核心程序所启动的进程才能访问其他用户空间。当一个进程在用户空间执行时，称该进程在用户态执行。
系统态执行：系统核心空间指的是含有一切系统核心代码的地址空间，当进程处于具有执行系统核心代码的权力状态时，称该进程在系统态执行。
系统调用的过程：
1.保存系统调用号。
2.执行中断指令，陷入内核态。
3.根据系统调用号从系统调用表中找到系统调用实现历程的实现地址。
4.执行系统调用实现历程。
5.返回用户态。
系统调用的优点：
1.使编程更容易，用户不用具体了解相应硬件设备。
2.极大提高了系统安全性。