操作系统概述

什么是操作系统？

没有公认定义，可以理解为起协助作用的控制程序，或者是介于软硬件之间的资源管理器。

操作系统软件组成

  1. Shell 命令行接口
    • 通过键盘操纵
    • 方便用户进行命令输入
  2. GUI 图形用户接口
    • WIMP
      视窗（windows）、t图标（icon）、选单（menu）、指标（pointer）
    • 直接操作、所见即所得
  3. Kernel 操作系统内核
    • 执行各种资源管理等功能

操作系统内核

  • 并发：计算机系统中同时存在多个运行的程序，需要 OS 管理和调度
  • 共享：“同时”访问（宏观），互斥共享（微观：对资源进行隔离保护）
  • 虚拟：高频率交替（多道程序设计技术），使用户感觉在专用系统
  • 异步：程序执行时间难于预测，运行环境相同时，OS 需要保证输出结果相同

系统类型

  1. UNIX(开放)：UNIX BSD、Mac OS等
  2. Linux(与 UNIX 同一类,API 兼容或类似，开放程度更完整)：Ubuntu、安卓等
  3. Windows(专用和封闭，图形用户接口，易用)

操作系统主要功能：硬件抽象和协调管理

操作系统的演变

  • 单用户系统
  • 批处理系统
  • 多程序系统
  • 分时
  • 个人计算机：每个用户一个系统
  • 分布式计算：每个用户多个系统

操作系统结构

  1. 简单结构：无模块划分，主要汇编，不可移植
  2. 分层结构：
    • 将操作系统分为多层（levels）
      • 每层建立在底层之上
      • 最底层（layer 0）是硬件
      • 最高层（layer N）是用户界面
    • 每一层仅使用更低一层的功能（操作）和服务
  3. 微内核结构（Microkernel）:
    • 尽可能把内核功能移到用户空间
    • 用户模块间的通信使用消息传递
    • 好处：灵活、安全
    • 缺点：性能
  4. 外核结构（Exokernel）:
    • 内核少放东西，资源管理由应用态代码完成，一个系统支起不同的操作系统服务
    • 让内核分配机器的物理资源给多个应用程序，并让每个程序决定如何处理这些资源
    • 程序能链接到操作系统库（libOS）实现了操作系统抽象
    • 保护和控制隔离
  5. VMM（虚拟机管理器，非操作系统结构）:
    • 负责和硬件接触（隔离资源），操作系统负责资源管理
    • 虚拟机管理器将单独的机器接口转换成很多的虚拟机，每个虚拟机都是一个原始计算机系统的有效副本，并能完成所有的处理器指令

对于主流操作系统的结构分析

  • Windows
    Windows 属于比较接近微内核的混合内核结构，这样的结构有一个特点，那就是驱动是单独分发的，并不会和 Windows 的微内核混合在一起。因此，其驱动配置比较简单，无需改动 Windows 内核代码。

  • Linux
    Linux 是一个宏内核的结构，在保留了微内核结构优点的基础上进行了优化。Linux 的驱动和内核是整合在一起的，要适配某种硬件，得把驱动都整合进 Linux 内核。它是模块化的、多线程的以及内核本身可调度的操作系统。Linux 仅仅是一个单块内核，单个内核负责管理 CPU、内存、进程间通信、设备驱动程序、文件系统和系统服务器调用。

  • Mac OS
    Mac OS 的内核（XNU）结合了微内核（Mach）和单片内核的（BSD）的特性。根据苹果公司的 Github 页面，XNU 是将卡耐基梅隆大学开发的 Mach 内核和 FreeBSD 组件整合而成的混合内核，加上用于编写驱动程序的 C++ API。代码的 BSD 子系统部分在微内核系统中，通常实现为用户空间的服务。Mach 部分负责底层工作，例如多任务、内存保护、虚拟内存管理、内核调试支持和控制台 I/O。

启动、中断、异常和系统调用

BIOS启动固件

基本功能：

  • 基本输入输出的程序
  • 系统设置信息
  • 开机后自检程序
  • 系统自启程序等

BIOS 系统调用：

  • BIOS 以中断调用的方式提供了基本的 I/O 功能
    • INT 10h：字符显示
    • INT 13h：磁盘扇区读写
    • INT 15h：检测内存大小
    • INT 16h：键盘输入
  • 只能在 x86 的实模式下访问

系统启动流程

  1. CPU 初始化
    • CPU 加电稳定后从 0XFFFF0 读第一条指令
      • CS:IP = 0xf000:fff0
      • 第一条指令是跳转指令
    • CPU 初始状态为16位实模式
      • CS:IP 是16位寄存器
      • 指令指针 PC = 16 * CS + IP
      • 最大地址空间是 1MB
  2. BIOS 初始化
    • 硬件自检 POST
    • 检测系统中内存和显卡等关键部件的存在和工作状态
    • 查找并执行显卡等接口卡 BIOS ，进行设备初始化
    • 执行系统 BIOS ，进行系统检测，检测和配置系统中安装的即插即用设备
    • 更新 CMOS 中的扩展系统配置数据 ESCD
    • 按指定启动顺序从软盘、硬盘或光驱启动
  3. 主引导记录 MBR 格式
    • 启动代码：446字节
      • 检查分区表正确性
      • 加载并跳转到磁盘上的引导程序
    • 硬盘分区表：64字节
      • 描述分区状态和位置
      • 每个分区描述信息占据16字节
    • 结束标志字：2字节 (55AA)
      • 主引导记录的有效标志
  4. 分区引导扇区格式
    • 跳转指令：跳转到启动代码
      • 与平台相关代码
    • 文件卷头：文件系统描述信息
    • 启动代码：跳转到加载程序
    • 结束标志：55AA
  5. 加载程序(bootloader)

系统启动规范

  • BIOS
    • 固化到计算机主板上的程序
    • 包括系统设置、自检程序和系统自启动程序
    • BIOS-MBR、BIOS-GPT、PXE
  • UEFI
    • 接口标准
    • 在所有平台上一致的操作系统启动服务

中断、异常和系统调用

  • 系统调用 (system call)
    • 应用程序主动向操作系统发出的服务请求
  • 异常
    • 非法指令或者其他原因导致当前指令执行失败 (如：内存出错)后的处理请求
  • 中断
    • 来自硬件设备的处理请求
  • 区别：
    • 源头
      • 中断：外设
      • 异常：应用程序意想不到的行为
      • 系统调用：应用程序请求操作提供服务
    • 响应方式
      • 中断：异步
      • 异常：同步
      • 系统调用：同步或异步
    • 处理机制
      • 中断：持续，对用户应用程序是透明的
      • 异常：杀死或者重新执行意想不到的应用程序指令
      • 系统调用：等待和持续

中断处理机制

  • 硬件处理
    • 在 CPU 初始化时设置中断使能的标志
      • 依据内部或外部事件设置中断标志
      • 依据中断向量调用相应中断的服务例程
  • 软件
    • 现场保存(编译器)
    • 中断服务处理(服务例程)
    • 清除中断标记(服务例程)
    • 现场恢复(编译器)
  • 中断嵌套
    • 硬件中断服务例程可被打断
      • 不同硬件中断源可能硬件中断处理时出现
      • 硬件中断服务例程中需要临时禁止中断请求
      • 中断请求会保持到 CPU 做出响应
    • 异常处理例程可被打断
      • 异常服务例程执行时可能出现硬件中断
    • 异常服务例程可嵌套
      • 异常服务例程可能出现缺页

系统调用的外界使用

  • 操作系统服务的编程接口
  • 通常由高级语言编写 (C 或者 C++)
  • 程序访问通常是通过高层次的 API 接口而不是直接进行系统调用
  • 三种最常用的应用程序编程接口 (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 虚拟机 (JVM)

系统调用的内部实现

  • 每个系统调用对应一个系统调用号
    • 系统调用接口根据系统调用号来维护表的索引
  • 系统调用接口调用内核态中的系统调用功能实现，并返回系统调用的状态和结果
  • 用户不需要知道系统调用的实现
    • 需要设置调用参数和获取返回结果
    • 操作系统接口的细节大部分都隐藏在应用编程接口后
      • 通过运行程序支持的库来管理

函数调用和系统调用的不同处

  • 系统调用
    • INT 和 IRET 指令用于系统调用
      • 系统调用时，堆栈切换和特权级的转换
  • 函数调用
    • CALL 和 RET 用于常规调用
      • 常规调用时没有堆栈切换

中断、异常和系统调用的开销

系统调用比函数调用更安全，但是系统调用的开销超过函数调用。
中断、异常和系统调用具体开销：

  • 引导机制
  • 建立内核堆栈
  • 验证参数
  • 内核态映射到用户态的地址空间
    • 更新页面映射权限
  • 内核态独立地址空间
    • TLB

内存层次

操作系统的内存管理

操作系统的内存管理方式

  • 操作系统中采用的内存管理方式
    • 重定位 ( relocation )
    • 分段 ( segmentation )
    • 分页 ( paging )
    • 虚拟存储 ( virtual memory )
      • 目前多数系统(如 Linux )采用按需页式虚拟存储
  • 实现高度依赖硬件
    • 与计算机存储架构紧耦合
    • MMU(内存管理单元)：处理 CPU 存储访问请求的硬件