操作系统功能

管理硬件（前五块也就是操作系统的所有内容）

CPU管理

内存管理

I/O（终端）管理

磁盘管理

文件管理

网络管理、电源管理、多核管理（不讲，课程高级操作系统讲解）

特征

并发

并发（进程）

多道程序环境，宏观上多道程序同时执行，每个时刻单处理机仅有一道程序执行，微观上程序分时交替执行

并行

同一时刻完成两种或两种以上工作，需要硬件支持

共享

互斥共享方式

某些资源在一段时间内只允许一个进程访问该资源

同时访问方式

一段时间内允许多个进程对资源进行访问，分时共享

虚拟

一个物理上的实体变为若干逻辑上的对应物

时分复用技术

空分复用技术

异步

由于资源有限，进程的执行不是一贯到底，走走停停，以不可预知的速度前进

操作系统的启动

哈工大版本

x86 PC为例

BIOS映射区：固化在主存ROM中，用于检查RAM、键盘、显示器、软硬磁盘等，并将磁盘第一个扇区读入主存

引导扇区代码（bootsect.s一段汇编代码）：将操作系统读入内存，转入setup.s执行

补充：该程序的主要作用是首先把从磁盘第2个扇区开始的4个扇区的setup模块加载到内存紧接着bootsect后面位置（(0x90200)），再把磁盘上setup模块后面的system模块加载到内存0x10000开始的地方

setup模块（setup.s汇编代码执行）

读硬件参数存储到内存数据结构中，初始化gdt表

gdt表（全局描述表）：保护模式下，以数组的形式存储全局的段的描述符

idt表（中断描述符表）：记录了中断号和调用函数之间的关系

system模块移动到物理内存起始位置处（0x0000），启动保护模式，转跳到0x0000处

system模块

head.s：初始化一些gdt表、idt表、页表

main.c：一堆初始化函数

王道版本

CPU执行ROM中引导程序（硬件自检，再开机）

CPU执行指令跳转到BIOS，登记中断程序入口地址，硬件自检，进行操作系统引导

磁盘第一块------主引导记录读入内存，执行磁盘引导程序，扫描分区表

以活动分区读入分区引导记录，并执行

以根目录下找到完整操作系统初始化程序（启动管理器）并执行、开机

操作系统在初始化过程中创建中断向量表，磁盘相关在磁盘格式化化时完成

操作系统的运行环境（王道）

CPU的状态

内核态（管态/核心态）：CPU可以执行特权指令，操作系统内核程序运行在核心态

用户态（目态）：CPU只能执行非特权指令

注意区别题目问的是xxx态发生还是xxx态执行

内核态->用户态

执行一条特权指令，修改PSW中“用户态”，操作系统主动让出CPU使用权

用户态->内核态

由“中断”引发（内中断、陷入指令、访管指令、Trap指令），硬件完成，操作系统强行夺回CPU使用权

用户态进入内核态，堆栈也由用户堆栈切换为系统堆栈，但该系统堆栈也属于该进程

中断与异常

异常（内中断）

例外、陷入、访管、Trap指令，硬件故障，软件中断

中断（外中断）

来自CPU执行指令之外的事件发生导致中断（外设请求、人为干预）

中断处理过程

中断隐指令（硬件完成）

关中断

保存断点

中断服务程序寻址

中断服务程序（软件实现，操作系统）

保存现场和屏蔽字

开中断

执行中断服务程序

关中断

恢复现场和屏蔽字

开中断

中断返回

子程序调用只需保存程序断点（PC）中断处理不仅要保存断点还有保存程序状态字寄存器（PSW），两者都是硬件保存

通用寄存器由操作系统保存，仅在内容还需使用不可恢复时保存

向上层提供的服务

程序间接使用

系统调用（广义指令）

操作系统接口（哈工大）

三种用户使用方式（上层提供服务）

都是通过c语言调用一些操作系统提供的重要函数实现，重要函数即操作系统接口，表现为函数调用，因为由系统提供，称为系统调用

命令行：本质是系统初始化完，最后执行的一段死循环等待用户输入的程序

图形按钮：基于消息机制

消息机制：操作系统实现一个消息队列，应用程序循环调用一个函数，从操作系统将消息拿出来，每取出一个就会调用对应的消息处理函数

应用程序

POSIX：IEEE制定的一个标准族

统一不同操作系统的系统调用接口：fork、open、EACCES等

系统调用的实现

用户调用printf，通过库函数变成int 0x80代码，系统在初始化时将int 0x80代码做成一个system call进入内核态，system call中断处理调用system call table去查表，根据传递的系统调用号，最后调用sys_write

系统调用概念

用户在程序中调用操作系统子功能，可视为特殊的公共子程序

只能通过用户程序间接使用

目的

请求系统服务，而非申请系统资源

系统调用过程

传递系统调用参数

执行陷入指令（访管指令/trap指令）主动引发一个内中断

执行服务程序

返回用户态

进程调度并非通过系统调用完成，创建新进程是

用户直接使用

GUI（图形用户界面）

命令接口（命令解释程序）

联机用户接口

脱机用户接口

操作系统历史

哈工大分两条线讲

IBSYS

OS/360

MULTICS

UNIX

LINUS

System

Mac OS

iOS

CP/M

QDOS

MS-DOS

WINDOWS

王道版本

手工操作阶段

单道批处理阶段

多道批处理系统

分时操作系统

实时操作系统

网络操作系统

分布式计算机系统

个人计算机操作系统

微型计算机操作系统

所有工作需要人工干预

自动性：作业自动执行

操作系统出现

交互性强

抢占式，优先级高者优先

服务于计算机网络，集中式控制方式

并行工作，协同完成任务，无主从之分

用户独占全机，资源利用率低

顺序性：作业依次执行

中断技术，无人机交互

CPU等待手工操作，利用率低

单道性：仅有一道程序执行

宏观上并行，微观上串行

操作系统体系结构（新考点）

分层结构

内核分多层，每层可单向调用更低一层提供的接口

便于调试和验证（逐层调试验证），易扩充维护

难以定义各层边界，效率低，不可夸层调用

模块化

将内核分为多个模块，模块间相互协作，内核=主模块+可加载内核模块

易维护，可多模块同时开发；支持动态加载新的内核模块；任何模块可以直接调用其他模块

模块间相互依赖，难以调试

宏内核（大内核）

所有功能都放在内核中

性能高，内核内部功能可以互相直接调用

内核功能复杂，难以维护，内核某个功能模块出错，可能导致系统崩溃

微内核

只把中断、原语、进程通信等核心功能放入内核。进程管理、文件管理、设备管理等功能以用户进程的形式运行在用户态

内核小功能少、易于维护，可靠性高；功能模块崩溃不会导致整个系统崩溃

性能低不高效，需要频繁切换用户态/核心态，用户态下各功能模块不可以直接互相调用，只能内核的“消息传递”间接通信

基于C/S模式

外核

内核负责进程调度、进程通信等功能，外盒负责为用户进程安全分配硬件资源

外核可直接给用户进程分配“不虚拟、不抽象”的硬件资源

减少虚拟硬件资源的“映射层”，提升效率

降低了系统一致性，系统复杂

虚拟机（新考点）

第一类VMM

安装Guset OS时，VMM要在原本的硬盘上自行分配存储空间

性能更好，可迁移性更差

第一类VMM运行在最高特权级，可以执行最高特权指令

第二类VMM

拥有自己的虚拟磁盘，实际上上Host OS文件系统中的一个大文件，分配到的是虚拟内存

性能差，需要Host OS为中介

第二类VMM部分运行在用户态，部分运行在内核态。Guest OS发出系统调用会被VMM截获，转化为VMM对Host OS的系统调用