现代操作系统::引论

引论

  • 什么是操作系统
    • 操作系统是一种运行在内核态的软件
    • 为应用程序提供一个资源集的清晰抽象，并管理这些硬件资源，而不仅仅是一堆硬件
    • 作为扩展机器的操作系统，创建好的抽象，并实现和管理它所创建的抽象对象。
    • 作为资源管理者的操作系统，在相互竞争的程序之间有序地控制对处理器、存储器以及其他 I/O 接口设备的分配。
  • 操作系统的历史
    • 第一代 (1945 ~ 1955) : 真空管和穿孔卡片
    • 第二代 (1955 ~ 1965) : 晶体管和批处理系统
    • 第三代 (1965 ~ 1980) : 集成电路和多道程序设计
    • 第四代 (1980 ~ ) :个人计算机
    • 第五代 (1990 ~ ): 移动计算机
  • 计算机硬件简介
    • 处理器
      • 专门的指令集
      • 寄存器
        • 程序计数器
          • 保存了将要取出的下一条指令的内存地址
        • 堆栈指针
          • 指向内存中当前栈的顶端
        • 程序状态字
          • 这个寄存器包含了条件码位、CPU 优先级、模式(用户态或内核态)，以及各种其他控制位
        • 通用寄存器
      • 流水线
        • 个 CPU 可以有单独的取指单元、解码单元和执行单元，于是当它执行指令 n 时，还可以对指令 n + 1 解码，井且读取指令 n + 2
      • 超标量 CPU
        • 两个或更多的指令被同时取出、解码并装入暂存缓冲区中，直至它们执行完毕.只要有一个执行单元空闲.就检查保持缓冲区中是否还有可处理的指令，如果有，就把指令从缓冲区中移出并执行之.
      • 两种模式
        • 内核态
        • 用户态
      • 系统调用
        • 为了从操作系统中获得服务，用户程序必须使用系统调用(system call)以陷入内核井调用操作系统。TRAP 指令把用户态切换成内核态，并启用操作系统。
      • 多线程和多核芯片
        • 多线程允许 CPU 保持两个不同的线程状态，然后在纳秒级的时间尺度内来回切换。
        • 多线程不提供其正的并行处理。在一个时刻只有一个进程在运行，但是线程的切换时间则减少到纳秒数量级。
    • 存储器
      • 寄存器，纳秒数量级时间
      • 高速缓存
        • 个位数纳秒数量级时间
        • 高速缓存命中
        • 多级缓存
        • 不同的缓存位置的影响
      • 主存
        • 易失性与非易失性存储介质
        • 十位数纳秒数量级时间
        • 闪存
        • 电可擦除可编程内存
        • CMOS 存储器
      • 磁盘
        • 毫秒数量级时间
        • 磁道
        • 柱面
        • 固态硬盘
        • 虚拟内存机制
          • MMU
          • 上下文切换
      • I/O 设备
        • 设备控制器
          • 插在电路板上的一块芯片或一组芯片
          • 这块电路板物理地控制设备。它从操作系统接收命令
          • 控制器的任务是为操作系统提供一个简单的接口
          • 读写过程很复杂，控制器中经常安装一个小的嵌入式计算机，该嵌入式计算机运行为执行这些工作而专门编好的程序。
        • 设备本身
          • 本身有个相对简单的标准化接口
          • SATA 串行高级技术附件(Serial Advanced Technology Attachment)
          • 由于实际的设备接口隐藏在控制器中，所以，操作系统看到的是对控制器的接口
          • 设备驱动程序
            • 将内核与设备驱动程序重新链接，然后重启动系统。
            • 在一个操作系统文件中设置一个入口，并通知该文件需要一个设备驱动程序，然后重新启动系统。在系统启动时，操作系统去找寻所需的设备驱动程序井装载之。
            • 操作系统能够在运行时接受新的设备驱动程序并且立即将其安装好，无须重启动系统。
            • 每个设备控制器都有少址用千通信的寄存器
              • 一个最小的磁盘控制器也会有用干指定磁盘地址、内存地址、扇区计数和方向(读或写)的寄存器。
              • 要激活控制器，设备驱动程序从操作系统获得一条命令，然后翻译成对应的值，并写进设备寄存器中。所有设备寄存器的集合构成了 I/O 端口空间，
            • 通信方式
              • 在有些计算机中，设备寄存器被映射到操作系统的地址空间，不需要专门的 I/O 指令，用户程序可以被硬件阻挡在外，防止其接触这些存储器地址
              • 另一些机器中，设备寄存器被放入一个专门的 I/O 端口空间中，每个寄存器都有一个端口地址。在这些机器中，提供在内核态中可使用的专门 IN 和 OUT 指令，供设备驱动程序读写这些寄存器用。
            • 实现输入输出的方式
              • 用户程序发出一个系统调用，内核将其翻译成一个对应设备驱动程序的过程调用。然后设备驱动程序启动 I/O 并在一个连续不断的循环中检查该设备，看该设备是否完成了工作(一般有一些二进制位用来指示设备仍在忙碌中)。当 I/O 结束后，设备驱动程序把数据送到指定的地方(若有此需要)，井返回。然后操作系统将控制返回给调用者。这种方式称为忙等待(busywaiting), 其缺点是要占据 CPU, CPU 一直轮询设备直到对应的 I/O 操作完成。
              • 设备驱动程序启动设备并且让该设备在操作完成时发出一个中断。设备驱动程序在这个时刻返回。操作系统接若在需要时阻塞调用者井安排其他工作进行。当设备驱动程序检查到该设备的操作完毕时，它发出一个中断通知操作完成。
              • 为 I/O 使用一种特殊的直接存储器访问 (Direct Memory Access, DMA) 芯片，它可以控制在内存和某些控制器之间的位流，而无须持续的 CPU 干预。 CPU 对 DMA 芯片进行设置，说明需要传送的字节数、有关的设备和内存地址以及操作方向，接着启动 DMA。当 DMA 芯片完成时，它引发一个中断，其处理方式如前所述。
      • 总线
        • 主板上有很多不同作用的总线
        • PCIe 总线是 PCI 总线的继承者，PCI 总线是为了取代原来的 ISA 总线，速度快
        • USB，将所有慢速 I/O 设备与计算机连接，是一种集中式总线
        • SCSI，是一种高速总线，用在高速硬盘、扫描仪和其他需要较大带宽的设备上。
      • 启动计算机
        • 主板上有一块称为 BIOS 的程序，存储在非易失性存储介质中
        • 主板加电，BIOS 开始运行，检查设备
        • 根据 CMOS 存储的设备清单启动设备，从启动分区读入操作系统，启动它
        • 操作系统访问 BIOS，获取设备信息，加载设备驱动程序，初始化相关程序。
  • 操作系统大观园
    • 大型机操作系统
      • 用于大型机的操作系统主要面向多个作业的同时处理，多数这样的作业需要巨大的 I/O 能力。系统主要提供三类服务:批处理、事务处理和分时。
    • 服务器操作系统
      • 它们在服务器上运行，服务器可以是大型的个人计算机、工作站，甚至是大型机。它们通过网络同时为若干个用户服务，并且允许用户共享硬件和软件资源。
    • 多处理器操作系统
      • 获得大量联合计算能力的常用方式是将多个 CPU 连接成单个的系统。依据连接和共享方式的不同，这些系统称为并行计算机、多计算机或多处理器。它们需要专门的操作系统，不过通常采用的操作系统是配有通信、连接和一致性等专门功能的服务器操作系统的变体。
    • 个人计算机操作系统
      • 现代个人计算机操作系统都支持多道程序处理，在启动时，通常有几十个程序开始运行 。它们的功能是为单个用户提供良好的支持。
    • 掌上计算机操作系统
      • 大多数设备基于的是多核 CPU、GPS、摄像头及其他的传感器、大量内存和精密的操作系统。
    • 嵌入式操作系统
      • 嵌入式系统在用来控制设备的计算机中运行，这种设备不是一般意义上的计算机，井且不允许用户安装软件 。
    • 传感器节点操作系统
      • 每个传感器节点是一个配有 CPU、RAM、ROM 以及一个或多个环境传感器的实实在在的计算机。节点上运行一个小型但是真实的操作系统，通常这个操作系统是事件驱动的，可以响应外部事件，或者基于内部时钟进行周期性的测量。
    • 实时操作系统
      • 这些系统的特征是将时间作为关键参数。工控系统，民航，军事用途。硬实时操作系统。
      • 多媒体，数字音频，软实时操作系统，允许一定延迟。
    • 智能卡操作系统
      • 智能卡是一种包含一块 CPU 芯片的信用卡。它有非常严格的运行能耗和存储空间的限制。其中，有些智能卡只具有单项功能，如电子支付，但是其他的智能卡则拥有多项功能.它们有专用的操作系统.
  • 操作系统概念
    • 进程
      • 进程本质上是正在执行的一个程序
      • 每个进程拥有自己的地址空间
      • 进程表
      • 进程间通信
      • 每个进程都归属于某个用户
    • 地址空间
      • 通常，每个进程有一些可以使用的地址集合，典型值从 0 开始直到某个最大值。
      • 虚拟内存，操作系统可以把部分地址空间装入主存，部分留在磁盘上，并且在需要时来回交换它们。在本质上，操作系统创建了一个地址空间的抽象，作为进程可以引用地址的集合。该地址空间与机器的物理内存解耦，可能大于也可能小干该物理空间。对地址空间和物理空间的管理组成了操作系统功能的一个重要部分。
    • 文件
      • 为磁盘和其他 I/O 设备提供一个良好的抽象文件模型。
      • 目录和文件产生的层次结构，文件系统。
      • 每个进程都有一个工作目录
      • 每个打开的文件都有一个文件描述符。
      • 挂载磁盘文件系统到根文件系统上
      • 特殊文件，提供特殊文件是为了使 I/O 设备看起来像文件一般，块特殊文件，磁盘，字符特殊文件，字符流设备
      • 管道，虚文件，它可以连接两个进程
    • 输入输出
      • 操作系统有各种类型的输人和输出设备，包括键盘、显示器、打印机等。对这些设备的管理全然依靠操作系统。
      • 每个操作系统都有管理其 I/O 设备的 I/O 子系统。
    • 保护
      • rwx 文件权限
      • 管理员，用户组，普通用户管理
    • shell
      • 命令解释器
      • 并不是操作系统的一部分，提供了终端用户于操作系统之间的接口
    • 个体重复系统发育
      • 技术的变化会导致某些思想过时并迅速消失，这种情形经常发生。但是，技术的另一种变化还可能使某些思想再次复活.在技术的变化影响了某个系统不同部分之间的相对性能时，情况就是这样。
  • 系统调用
    • 操作系统具有两种功能:为用户程序提供抽象和管理计算机资源。
    • 进行系统调用就像进行一个特殊的过程调用，但是只有系统调用可以进人内核，而过程调用则不能。
    • read 系统调用过程
      • 调用程序首先把参数压进堆栈
      • 对库过程的实际调用
      • 把系统调用的编号放到寄存器中
      • 执行 TRAP 指令，将用户态切换到内核态，并在内核中的一个固定地址开始执行
      • TRAP 指令后的内核代码开始检查系统调用编号，然后分派给正确的系统调用处理器，这通常是通过一张由系统调用编号所引用的、指向系统调用处理器的指针表来完成
      • 系统调用处理器运行
      • 一且系统调用处理器完成其工作，控制可能会在跟随 TRAP 指令后面的指令中返回给用户空间库过程
      • 接着以通常的过程调用返回的方式，返回到用户程序
      • 清除堆栈
    • 常用系统调用
      • 进程管理: fork waitpid execve exit
      • 文件管理: open close read write lseek stat
      • 目录和文件系统管理: mkdir rmdir link unlink mount umount
      • 各种系统调用: chdir chmod kill time
  • 操作系统结构
    • 单体系统
      • 整个操作系统以过程集合的方式编写，链接成一个大型可执行二进制程序
      • 每个过程都可以自由调用其他过程
      • 容错性差
      • 系统笨拙难以理解
    • 层次式系统
      • 层次式结构的操作系统，它的上层软件都是在下一层软件的基础之上构建的
      • 该系统的各个部分最终仍然被链接成了完整的单个目标程序
    • 微内核
      • 为了实现高可靠性，将操作系统划分成小的、良好定义的模块，只有其中一个模块一一微内核一运行在内核态，其余的模块由于功能相对弱些，则作为普通用户进程运行。
    • 客户端一服务器模式
      • 一般来说，客户端和服务器之间的通信是消息传递。为了获得一个服务，客户端进程构造一段消息，说明所需要的服务，井将其发给合适的服务器。该服务器完成工作，发送回应。
      • 客户端和服务器运行在不同的计算机上，它们通过局域网或广域网连接
    • 虚拟机
      • 虚拟机监控程序
      • 共享托管
      • 第一类虚拟机管理程序
      • 模拟器
      • 虚拟化
      • 二进制翻译
      • Java 虚拟机
    • 外核
      • 对机器进行分区
      • 为虚拟机分配资源，井检查使用这些资源的企图，以确保没有机器会使用他人的资源
  • 依靠 C 的世界
    • 指针
    • 头文件
    • 目标文件
    • C 预处理器
    • 链接
    • 运行模型
  • 有关操作系统的研究
    • 错误调试
    • 故障恢复
    • 文件和存储系统
    • 等等等