1.1 操作系统OS概念

定义

OS 是 计算机资源（硬件和软件） 的管理者

提供给用户/软件接口和环境 →向上层提供方便的服务

cs系统中最基本的**==系统软件== ** →是最接近硬件的一层软件

image-20260317090534216

功能

==一.OS是系统资源的管理者==

文件管理（U4）

存储器管理（U3）：为（多道）程序提供内存运行环境

处理机管理（U2）：处理机的分配和运行都以进程/线程为单位，所以本质上是对进程的管理。

设备管理（U5）：处理用户IO请求。

image-20260317090725251

二.向上（下）层提供接口

A. 用户接口

  • GUI（图形用户界面）
  • 命令接口

    • 联机命令接口（交互式命令接口）【用户说一句，系统做一句】

    • 脱机命令接口（批处理接口）【用户说一堆，系统做一一堆】

B. 程序接口：本质是 系统调用。

  • 普通用户无法直接调用，通过运行包含系统调用的程序来间接使用系统功能。
  • 应用程序，使用系统调用，请求内核为其服务。间接使用系统资源。

image-20260317091221257

三.最接近硬件的一层软件

  • 没有任何软件支持的计算机称为裸机
  • OS实现对硬件机器的扩展，把计算机变成虚拟机。

image-20260317092101296

特征

并发

  • 并发：同一时间间隔发生。（宏观同时发生，微观上交替发生。）

  • 并行：同时发生。

  • 多核CPU可以实现真正意义上的并行。单核CPU只能并发。

共享

互斥共享：一个时间段只允许一个进程访问资源。

同时共享：一个时间段允许多个进程 “同时” 访问资源【此处的 “同时” 依旧是 并发，而不是并行，即分时共享】。

image-20260317094541901

并发和共享互为前提条件⭐

image-20260317093335463

虚拟

空分复用

eg虚拟存储器

image-20260317094718173

时分复用

eg虚拟处理器（把一个时间单位细分为多个，交替进行各个进程）

  • 不同于超线。超线程是硬件层面的。虚拟处理器是软件层面的。

image-20260317095119432

异步

一种不阻塞的等待策略。

和并发不是因果关系。（一个单核CPU、单线程的操作系统，能否实现异步？可以的，通过中断。）

image-20260317093834827

小结⭐

共享和并发是OS系统的最基本的特征。

并发和共享互为存在条件。

虚拟和异步的前提是并发性和共享性。

1.2 发展与分类

image-20260317102229283

手工操作阶段

人工操作模式：低效。

脱机IO模式：①减少CPU空闲。②CPU可以直接从高速磁带读写，提升IO效率。

  • IO操作由 外围机 控制，脱离主机控制。
  • 数据-磁带-CPU-磁带-外设

image-20260317102529104

批处理阶段 – 单道批处理系统

实现：脱机方式 + 一个监督程序。

特点：自动，顺序，单道。

优点：成批处理数据

缺点：内存中只能有一道程序运行，CPU有空闲（资源利用率低）

image-20260423152711645

批处理阶段 – 多道批处理系统

有中断功能：有程序中断时，CPU切换到另一就绪程序运行。

特点：①多道。②宏观上并行，微观上串行。

优点：高效利用CPU，CPU不空闲了（多道程序像流水线一样并发执行，实现方式是用算法安排）

缺点：没有人机交互功能。

image-20260423152959414

分时操作系统

计算机以时间片为单位==轮流==为多个用户服务，多个远程用户可以通过终端和计算机交互。**==（即多用户系统）==**

核心目标：有人机==交互==功能。

  • 单人单电脑本身就是人机交互的。
  • 但是多人用同一台电脑，就需要os轮流处理不同用户的请求，所以此处的人机交互更应该来说是==多人可以与同一台机器交互==

缺点：不能处理紧急任务。

实时操作系统

优点：①能处理紧急事件。（紧急任务不需时间片排队）②能在规定的时间内完成。

特点：确定性（响应时间可预测），及时性（强时效），可靠性。

硬实时操作系统：必须在严格的规定时间完成处理（eg导弹）

软实时操作系统：可以偶尔的违反时间规定。

其他操作系统

网络操作系统：

  • 让多台独立的计算机能互相通信和共享资源。
  • 是在单机操作系统（如 Windows）的基础上，增加了网络通信和资源共享的功能。

分布式系统：

  • 它把一群计算机虚拟成一台计算机。（比如bing搜索时几千台服务器同时工作，瞬间完成）
  • 特点：分布性，并行性，透明性（用户无需感知，使用体验如同使用一台计算机）。

微机操作系统：

  • 单用户单任务操作系统（IMB-PC）
  • 单用户多任务操作系统（windows）
  • 多用户多任务操作系统（Linux服务器版）

Note：

OS三种基本类型：批处理OS，分时OS，实时OS。

小结

image-20260317103602462

1.3 运行机制⭐

运行机制

1.内核程序 和 应用程序

OS中最核心的是内核（Kernel）

内核由多个内核程序构成。（写操作系统的人完成的）

应用程序：普通人用到的程序

2.特权指令 和 非特权指令

特权指令，只能在内核态执行，用户态执行会触发异常。

非特权指令，用户态和内核态都能执行。

用户程序如何执行特权指令？

  • 不能直接执行。必须通过访管指令主动陷入内核，由操作系统内核代码执行特权指令。

==特权指令：==①输入输出指令。②开/关中断指令。③I/O指令。④系统调用内部的特权指令。

==非特权指令：==①陷入指令Trap。

image-20260317104945090

==3.内核态 和 用户态==

内核态=核心态=管态，用户态=目态

CPU怎么区分运行的指令是关于内核程序还是应用程序的呢？

内核态 → 用户态 ：修改==PSW的标志位==为“用户态”（是一条特权指令），操作系统让出CPU使用权。

用户态 → 内核态 ：由“中断”引发，OS拿回CPU的使用权（from 用户）

  • tips：触发“中断”的时候，一般也是需要操作系统介入的时候。

注意==发生==和==执行==两个不同的字眼。（有的事件发生和执行不在一个态上，例如系统调用）

**==在内核态执行：==**①中断相关的处理。②中断屏蔽字设置指令（属于io指令）。③进程调度④系统调用指令。⑤时钟中断。

**==在用户态执行：==**①Trap指令。②压栈、跳转/转移指令。③命令解释程序

**==用户态转向内核态：==**系统调用。外中断。异常。用户程序执行特权指令发生异常。

image-20260317154741951

4.小结

Notes：

  • 编译器是OS上层的软件，不是OS需要提供的
  • 管理员是权限最高的用户，不等同于OS。

image-20260317105702370

中断和异常

​ – 用户程序进入内核态的唯一合法途径

==中断==

内中断（异常）：与当前的指令有关。中断信号来源于CPU内部。

  • 如果发现当前执行的指令是非法的，会引发中断信号。OS此时拿到CPU控制权，执行中断服务程序。

  • ==EG：== 访管Trap中断。缺页异常。存储保护错。用户试图执行特权指令。

  • 通常在完成后返回第i条指令执行。

外中断：与当前执行的指令无关。中断信号来源于CPU外部。

  • ==EG：== IO中断 。控制器出错。时钟中断。DMA传送结束。存储器校验错。
  • 外中断也可以分为可屏蔽中断和非可屏蔽中断。
  • 通常在完成后返回第i+1条指令执行。

陷入和故障属于软件中断。终止和外中断属于硬件中断。

image-20260317161321168

中断机制的原理

  1. 检测：异常是指令执行中一直检测；中断是指令周期后有专门的中断周期检测。
  2. ==硬件响应：==
    • CPU 检测到中断信号后，自动关中断。
    • 硬件保存断点（ PC 和 PSW 压入内核栈），并将 CPU 切换为内核态。【PSW的作用，修改CPU模式：为内核态还是用户态】
    • 根据中断号查询中断向量表，找到对应中断服务程序的入口地址。
  3. ==软件处理：==
    • 保存现场：中断服务程序首先保存所有通用寄存器（压栈）。
    • （可选）保存旧的中断屏蔽字，设置新的屏蔽字。
    • 执行中断服务：提供相应的中断处理（如读写设备）。
    • 恢复现场：恢复通用寄存器和中断屏蔽字。
    • 中断返回：执行 iret 等指令，硬件恢复 PC 和 PSW，切回用户态。

所以显然中断程序是内核程序。需要在”内核态”中运行。

image-20260318162418455

小结

Note：

通道技术：小CPU。

image-20260317161514988

系统调用

**==系统调用：是程序接口的本质==**。

程序接口：OS提供给应用程序/程序员，来请求获得OS内核服务的接口。

OS不同，设计不同，为应用程序提供的系统调用接口也不同。

image-20260318163000584

1.库函数：

有的库函数涉及系统调用，有的库函数不涉及系统调用。

涉及系统调用的库函数：把一些 系统调用封装成库函数 ，提供给程序员方便编程。

应用程序可以进行系统调用，也可以使用库函数。

image-20260318163608975

2.系统调用的原因

OS对==共享资源==进行统一的管理，向上提供“系统调用”，保证系统的稳定性安全性。（否则会出现像打印的文件内容混杂的情况）

与共享资源有关的操作：存储分配，IO操作，文件管理等。image-20260318171421203

==3.系统调用的过程==

用户使用系统调用命令，该命令编译后形成参数和陷入指令。

  • 具体步骤：传参 – Trap/陷入指令（用户态） –→ 由操作系统内核程序，处理系统调用请求（内核态） – 返回应用程序，恢复现场。

系统调用发起前（调用过程）在用户态

系统调用执行时（==被 调用过程==）在内核态。

image-20260317162515899 image-20260318172241437

Notes：

系统调用需要保存PSW和PC的值。

一般过程调用只需要保存PC的值。

4.小结

image-20260317162950897

1.4 操作系统体系结构

整体结构设计

分层法 模块化
优点 ①调试和验证。②扩充（某一层）（因为接口规定相同）和维护 ①支持并行 开发。
缺点 ①层次划分难。②运行效率低。③不灵活（各层依赖关系确定了） ①模块间的接口不符合要求。②模块并列，找不到合适执行顺序。
image-20260317165029385

操作系统的内核⭐

内核是OS最核心的部分。

大内核：橙色和黄色两部分。

微内核：只有黄色一行。（加上进程/线程管理，低级存储器管理。就是创建之类的）

image-20260317163217192

内核的功能：

①支撑功能：（与硬件关系紧密）

  • 时钟管理，负责计时

  • 中断处理，现代OS运行的基础（实现“并行”）

  • 原语，是一种特殊的程序。在os的最底层。运行只能一气呵成不能中断。

②对系统资源进行管理的功能：进程管理，存储器管理，设备管理。（更多是对数据结构的操作，不会涉及硬件）

image-20260318172514811

大内核和微内核

大内核（宏内核/单内核）：高性能。但内核难以维护（代码庞大）。【Linux，UNIX】

微内核：内核功能少，结构清晰，易于维护。但频繁在用户态/内核态切换会影响性能。【Windows NT】

==微内核== 大内核 外核
优点 ①易于维护。②扩展灵活同时可移植（各服务器）。③安全可靠（内核内容少）。 高性能。 ①减少抽象开销。②分离保护（外核）与实现（用户）。③提升/灵活（用户管理资源）性能。
缺点 频繁切态影响性能。 ①代码多，难以维护。②扩展不灵活不可移植。
机制 ①消息传递机制。：微内核移除的功能被组织为若干独立服务程序，运行于用户态，彼此之间 及与客户进程 通过微内核提供的消息传递机制进行交互 【所以适合做分布式！】 将物理资源直接暴露给用户级系统，自身仅负责底层==物理资源==的安全分配与隔离。
机制 ②机制与策略分离：进程管理，存储器管理，IO管理等功能被分为两部分，机制（核心的）保存在微内核中，策略则由外部服务器实现。
机制 ③基于客户/服务器模式。④采用面向对象技术
image-20260318173324389

OS系统不同结构的对比

分层结构 ， 模块化 ， 大内核 ， 微内核 ， 外核

image-20260317164214912

1.5 操作系统引导

– 开机的时候，操作系统怎么运行起来的？

1
2
3
4
5
CPU激活，从ROM中读取并执行BIOS。
BIOS执行通电自检，并把（磁盘第一块）MBR主引导记录加载到内存中。
MBR包含：引导代码和磁盘分区表。MBR定位活动分区（egC盘），并加载PBR分区引导记录到内存中。
PBR找到启动管理器，启动管理器加载OS内核到内存RAM。
内核初始化：初始化设备驱动，初始化进程相关的数据结构，创建第一个内核进程

（ROM断电数据不消失，所以引导程序放在ROM里面）

（C盘是活动分区，因为安装了wins操作系统）

（PBR和MBR都是程序，都是在执行前被加载到内存中的。）

image-20260318175119665

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
加电
  ↓
CPU跳转到ROM
  ↓
┌─────────────────────────────────────┐
│ BIOS/UEFI ⭐                        │
│ • 硬件自检                           │
│ • 查找启动设备                        │
│ • 加载MBR到内存                       │
└─────────────────────────────────────┘
  ↓ 跳转
┌─────────────────────────────────────┐
│ MBR（主引导记录） ⭐                  │
│ • 扫描分区表                          │
│ • 找到活动分区                        │
│ • 加载活动分区的第一个扇区              │
└─────────────────────────────────────┘
  ↓ 跳转
┌─────────────────────────────────────┐
│ PBR（分区引导记录）  ⭐               │
│ • 识别文件系统类型                     │
│ • 在根目录查找启动管理器                │
│ • 加载启动管理器文件                   │
└─────────────────────────────────────┘
  ↓ 跳转
┌─────────────────────────────────────┐
│ 启动管理器（如GRUB、bootmgr）  ⭐     │
│ • 显示菜单（可选）                     │
│ • 加载操作系统内核到内存                │
│ • 跳转到内核入口                       │
└─────────────────────────────────────┘
  ↓ 跳转
┌─────────────────────────────────────┐
│ 操作系统内核          ⭐             │
│ • 初始化各子系统                       │
│ • 启动第一个用户进程（init/systemd）   │
│ • 进入用户态，显示登录界面              │
└─────────────────────────────────────┘

1.6 虚拟机

VMM（虚拟机监视器）

第一类VMM：①分配的是物理内存（类似外核）。②本身就是操作系统，运行在最高特权级，直接管理硬件。③优点是支持更多的虚拟机。且性能更好。

第二类VMM：①分配是虚拟内存。②主体作为应用程序运行在用户态；当需要执行特权指令时，通过加载的内核模块协助完成。③优点是可迁移性更好，导出镜像文件就可以迁移。

第一类（Type-1） 第二类（Type-2）
异常处理路径 硬件 → VMM 硬件 → 宿主机OS → VMM

image-20260318180523370