操作系統概述

什么是操作系統？

沒有公認定義，可以理解為起協助作用的控制程序，或者是介于軟硬件之間的資源管理器。

操作系統軟件組成

Shell 命令行接口

• 通過鍵盤操縱
• 方便用戶進行命令輸入

GUI 圖形用戶接口

• WIMP
  視窗（windows）、t圖標（icon）、選單（menu）、指標（pointer）
• 直接操作、所見即所得

Kernel 操作系統內核

• 執行各種資源管理等功能

操作系統內核

• 并發：計算機系統中同時存在多個運行的程序，需要 OS 管理和調度
• 共享：“同時”訪問（宏觀），互斥共享（微觀：對資源進行隔離保護）
• 虛擬：高頻率交替（多道程序設計技術），使用戶感覺在專用系統
• 異步：程序執行時間難于預測，運行環境相同時，os需要保證輸出結果相同

系統類型

UNIX(開放)：UNIX BSD、Mac OS等

Linux(與UNIX同一類,API兼容或類似，開放程度更完整)：Ubuntu、安卓等

Windows(專用和封閉，圖形用戶接口，易用)

操作系統主要功能：硬件抽象和協調管理

操作系統的演變

• 單用戶系統
• 批處理系統
• 多程序系統
• 分時
• 個人計算機：每個用戶一個系統
• 分布式計算：每個用戶多個系統

操作系統結構

簡單結構：無模塊劃分，主要匯編，不可移植

分層結構：

• 將操作系統分為多層（levels）
  • 每層建立在底層之上
  • 最底層（layer 0）是硬件
  • 最高層（layer N）是用戶界面
• 每一層僅使用更低一層的功能（操作）和服務

微內核結構（Microkernel）:

• 盡可能把內核功能移到用戶空間
• 用戶模塊間的通信使用消息傳遞
• 好處：靈活、安全
• 缺點：性能

外核結構（Exokernel）:

• 內核少放東西，資源管理由應用態代碼完成，一個系統支起不同的操作系統服務
• 讓內核分配機器的物理資源給多個應用程序，并讓每個程序決定如何處理這些資源
• 程序能鏈接到操作系統庫（libOS）實現了操作系統抽象
• 保護和控制隔離

VMM（虛擬機管理器，非操作系統結構）:

• 負責和硬件接觸（隔離資源），操作系統負責資源管理
• 虛擬機管理器將單獨的機器接口轉換成很多的虛擬機，每個虛擬機都是一個原始計算機系統的有效副本，并能完成所有的處理器指令

對于主流操作系統的結構分析

• Windows
  Windows 屬于比較接近微內核的混合內核結構，這樣的結構有一個特點，那就是驅動是單獨分發的，并不會和 Windows 的微內核混合在一起。因此，其驅動配置比較簡單，無需改動 Windows 內核代碼。

• Linux
  Linux是一個宏內核的結構，在保留了微內核結構優點的基礎上進行了優化。Linux的驅動和內核是整合在一起的，要適配某種硬件，得把驅動都整合進Linux內核。它是模塊化的、多線程的以及內核本身可調度的操作系統。Linux 僅僅是一個單塊內核，單個內核負責管理 CPU、內存、進程間通信、設備驅動程序、文件系統和系統服務器調用。

• Mac OS
  Mac OS 的內核（XNU）結合了微內核（Mach）和單片內核的（BSD）的特性。根據蘋果公司的 Github 頁面，XNU 是將卡耐基梅隆大學開發的 Mach 內核和 FreeBSD 組件整合而成的混合內核，加上用于編寫驅動程序的 C++ API。代碼的 BSD 子系統部分在微內核系統中，通常實現為用戶空間的服務。Mach 部分負責底層工作，例如多任務、內存保護、虛擬內存管理、內核調試支持和控制臺 I/O。

啟動、中斷、異常和系統調用

BIOS啟動固件

基本功能：

• 基本輸入輸出的程序
• 系統設置信息
• 開機后自檢程序
• 系統自啟程序等

BIOS 系統調用：

• BIOS 以中斷調用的方式提供了基本的 I/O 功能
  • INT 10h：字符顯示
  • INT 13h：磁盤扇區讀寫
  • INT 15h：檢測內存大小
  • INT 16h：鍵盤輸入
• 只能在 x86 的實模式下訪問

系統啟動流程

CPU 初始化

• CPU 加電穩定后從 0XFFFF0 讀第一條指令
  • CS:IP = 0xf000:fff0
  • 第一條指令是跳轉指令
• CPU 初始狀態為16位實模式
  • CS:IP 是16位寄存器
  • 指令指針 PC = 16 * CS + IP
  • 最大地址空間是 1MB

BIOS 初始化

• 硬件自檢 POST
• 檢測系統中內存和顯卡等關鍵部件的存在和工作狀態
• 查找并執行顯卡等接口卡 BIOS ，進行設備初始化
• 執行系統 BIOS ，進行系統檢測，檢測和配置系統中安裝的即插即用設備
• 更新 CMOS 中的擴展系統配置數據 ESCD
• 按指定啟動順序從軟盤、硬盤或光驅啟動

主引導記錄 MBR 格式

• 啟動代碼：446字節
  • 檢查分區表正確性
  • 加載并跳轉到磁盤上的引導程序
• 硬盤分區表：64字節
  • 描述分區狀態和位置
  • 每個分區描述信息占據16字節
• 結束標志字：2字節 (55AA)
  • 主引導記錄的有效標志

分區引導扇區格式

• 跳轉指令：跳轉到啟動代碼
  • 與平臺相關代碼
• 文件卷頭：文件系統描述信息
• 啟動代碼：跳轉到加載程序
• 結束標志：55AA

加載程序(bootloader)

系統啟動規范

• BIOS
  • 固化到計算機主板上的程序
  • 包括系統設置、自檢程序和系統自啟動程序
  • BIOS-MBR、BIOS-GPT、PXE
• UEFI
  • 接口標準
  • 在所有平臺上一致的操作系統啟動服務

中斷、異常和系統調用

• 系統調用 (system call)
  • 應用程序主動向操作系統發出的服務請求
• 異常
  • 非法指令或者其他原因導致當前指令執行失敗 (如：內存出錯)后的處理請求
• 中斷
  • 來自硬件設備的處理請求
• 區別：
  • 源頭
    • 中斷：外設
    • 異常：應用程序意想不到的行為
    • 系統調用：應用程序請求操作提供服務
  • 響應方式
    • 中斷：異步
    • 異常：同步
    • 系統調用：同步或異步
  • 處理機制
    • 中斷：持續，對用戶應用程序是透明的
    • 異常：殺死或者重新執行意想不到的應用程序指令
    • 系統調用：等待和持續

中斷處理機制

• 硬件處理
  • 在 CPU 初始化時設置中斷使能的標志
    • 依據內部或外部事件設置中斷標志
    • 依據中斷向量調用相應中斷的服務例程
• 軟件
  • 現場保存(編譯器)
  • 中斷服務處理(服務例程)
  • 清除中斷標記(服務例程)
  • 現場恢復(編譯器)
• 中斷嵌套
  • 硬件中斷服務例程可被打斷
    • 不同硬件中斷源可能硬件中斷處理時出現
    • 硬件中斷服務例程中需要臨時禁止中斷請求
    • 中斷請求會保持到 CPU 做出響應
  • 異常處理例程可被打斷
    • 異常服務例程執行時可能出現硬件中斷
  • 異常服務例程可嵌套
    • 異常服務例程可能出現缺頁

系統調用的外界使用

• 操作系統服務的編程接口
• 通常由高級語言編寫 (C 或者 C++)
• 程序訪問通常是通過高層次的 API 接口而不是直接進行系統調用
• 三種最常用的應用程序編程接口 (API)
  • Win32 API 用于 Windows
  • POSIX API 用于 POSIX-based systems (包括 UNIX, LINUX, Mac OS X的所有版本)
  • Java API 用于 JAVA 虛擬機 (JVM)

系統調用的內部實現

• 每個系統調用對應一個系統調用號
  • 系統調用接口根據系統調用號來維護表的索引
• 系統調用接口調用內核態中的系統調用功能實現，并返回系統調用的狀態和結果
• 用戶不需要知道系統調用的實現
  • 需要設置調用參數和獲取返回結果
  • 操作系統接口的細節大部分都隱藏在應用編程接口后
    • 通過運行程序支持的庫來管理

函數調用和系統調用的不同處

• 系統調用
  • INT 和 IRET 指令用于系統調用
    • 系統調用時，堆棧切換和特權級的轉換
• 函數調用
  • CALL 和 RET 用于常規調用
    • 常規調用時沒有堆棧切換

中斷、異常和系統調用的開銷

系統調用比函數調用更安全，但是系統調用的開銷超過函數調用。
中斷、異常和系統調用具體開銷：

• 引導機制
• 建立內核堆棧
• 驗證參數
• 內核態映射到用戶態的地址空間
  • 更新頁面映射權限
• 內核態獨立地址空間
  • TLB

內存層次

操作系統的內存管理

操作系統的內存管理方式

• 操作系統中采用的內存管理方式
  • 重定位 ( relocation )
  • 分段 ( segmentation )
  • 分頁 ( paging )
  • 虛擬存儲 ( virtual memory )
    • 目前多數系統(如 Linux )采用按需頁式虛擬存儲
• 實現高度依賴硬件
  • 與計算機存儲架構緊耦合
  • MMU(內存管理單元)：處理 CPU 存儲訪問請求的硬件

總結

以上是生活随笔為你收集整理的操作系统概述以及启动、中断和系统调用的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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