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Introduction

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操作系统介绍

什么是操作系统？

操作系统是介于计算机硬件和计算机用户之间的一个程序

操作系统目标

  • 更容易的运行用户程序，解决用户问题
  • 使得电脑系统的使用更加方便

电脑系统组成

  • 计算机硬件
    1. CPU、内存、IO设备等
  • 操作系统
    1. 帮助应用程序以及用户控制并且协调硬件
  • 系统和应用软件
    1. 编译器、编辑器、数据库等
  • 用户
    1. 人、机器以及其他计算机等

操作系统定义

  • 操作系统是一个资源分配器
    1. 管理所有资源
    2. 处理冲突请求以获得高效公平的资源使用
  • 操作系统是控制程序
    1. 控制程序的执行，避免错误以及对电脑的错误使用

操作系统是控制程序

  • 控制程序的运行来预防错误以及对电脑的错误使用

操作系统启动

bootstrap program(存储于 ROM)是操作系统的启动程序，负责对操作系统进行初始化，并且将操作系统的内核加载到内存中。计

操作系统的组成

冯诺依曼架构

a

操作系统的行为

  • I/O 设备和 CPU 可以同时运行
  • 每一个设备控制器控制特定类型的设备
  • 每一个设备控制器都有一个 local buffer
  • CPU 将数据在 main memory 与 local buffer 之间移动
  • IO 是从设备到设备控制器
  • 设备控制器通过中断(interrupt)通知CPU它已经完成了它的操作(via system bus)

中断的常见使用方式

  • 中断通过 interrupt vector 将控制权交给中断服务(interrupt service routine)，interrupt vector中包含所有中断服务的地址
  • 中断架构必须保存被中断指令的地址。
  • 在处理另一个中断时禁用传入中断，以防止中断丢失。
  • 陷阱(trap)是由错误或用户请求（后者通常称为系统调用）引起的软件生成的中断。注意：名称在不同的体系结构中可能会有所不同。
  • 操作系统是中断驱动的。

中断处理

  • 操作系统通过保存寄存器和 pc 的数据来存储系统状态
  • 确定发生了哪种类型的中断：
    1. 通过泛型例程进行轮询(polling)
    2. 矢量中断系统(vectored中断表)
  • 单独的代码段决定对每种类型的中断应该采取什么行动

中断驱动的 IO 操作

a

两种 IO 方法

  • I/O启动后，只有在I/O完成后，控制权才返回给用户程序。
    1. 等待指令使CPU闲置，直到下一个中断
    2. 等待循环（争用内存访问）
    3. 一次最多有一个未完成的I/O请求，没有同时进行的I/O处理
  • I/O启动后，控制返回给用户程序，无需等待I/O完成。
    1. 系统调用——向操作系统发出请求，允许用户等待I/O完成
    2. 设备状态表包含每个I/O设备的条目，表明其类型、地址和状态
    3. 操作系统索引到I/O设备表以确定设备状态并修改表项以包括中断

同步和异步 IO 方法的比较

a

异步是非阻塞式的，不需要等待当前指令完全执行完毕（但非阻塞式不等于异步I/O处理）

设备状态表结构

a

设备等待的队列采用链表的结构。

  • Direct Memory Access Structure
    1. 能够以接近内存速度传输信息的高速I/O设备
    2. 设备控制器将数据块从缓冲存储器直接传输到主存储器，无需CPU干预
    3. 每个块(block)只生成一个中断，而不是每个字节(byte)生成一个中断。
  • Storage Structure
    1. 主存(Main memory)——只有CPU可以直接访问的大容量存储介质
    2. 二级存储——主存储器的扩展，提供大的非易失性存储容量。
    3. 磁盘——覆盖有磁性记录材料的刚性金属或玻璃盘片
      1. 磁盘表面逻辑上划分为磁道，磁道再细分为扇区
      2. 磁盘控制器决定设备和计算机之间的逻辑交互

补充

Caching – copying information into faster storage system

main memory can be viewed as a last cache for secondary storage

  • Caching

    1. 在计算机（硬件、操作系统、软件）的多个层次上执行
    2. 正在使用的信息暂时从较慢的存储复制到较快的存储——Speed mismatching
    3. 首先检查更快的存储(cache)，以确定信息是否存在
      1. 如果存在，信息直接从 cache 中使用(速度快)
      2. 如果不存在，需要将数据拷贝到 cache 中然后再使用
    4. Cache 小于正在缓存的存储
      1. 缓存管理
      2. 缓存大小和替换策略

  • 将整数A从磁盘迁移到寄存器

    1. 多任务(Multitasking)环境必须小心使用最新的值，无论它存储在存储层次结构中的哪个位置
      a
    2. 多处理器(Multiprocessor)环境必须在硬件中提供缓存一致性，以便所有cpu的缓存中都有最新的值
  • 多处理器系统(Multiprocessor Systems) SMO 结构
    1. 每一个 CPU 都有自己的寄存器集合
    2. 所有的处理器共享基于总线(system bus)的物理存储空间
      a
  • 多核系统(Multicore Systems)
    1. 片内通信比片间通信快(在同一个L2 cache中进行会比较快，减少了数据的搬运)
    2. 功耗更低(适合移动设备)
      a
  • NUMA 架构
    1. cpu 之间通过共享系统连接
    2. 添加越多处理器，效率越高
    3. 跨互连的远程内存很慢
    4. 操作系统需要细致的CPU调度和内存管理
      a

操作系统结构分类

  • 提高效率（CPU利用率）所需的多路编程(Multiprogramming)
    1. 单用户无法让 CPU 和 IO 设备始终处于繁忙状态
    2. 多路编程(Multiprogramming)组织工作，所以CPU总是有一个要执行
    3. 系统中总工作的一个子集保存在内存中
    4. 选择一个工作并通过工作调度运行
    5. 当它必须等待(例如 IO)时，操作系统切换到另一个工作
  • 分时(multitasking)是一种逻辑扩展，在这种扩展中，CPU频繁地切换作业，用户可以在每个作业运行时与之交互，从而创建交互式计算
    1. 响应时间需要小于 1s
    2. 每个用户至少有一个程序在内存中执行 => 进程
    3. 如果多个作业准备同时运行 => CPU调度
    4. 如果进程不适合内存，交换(swapping)将它们移进移出以运行
    5. 虚拟内存(Virtual memory)允许执行不完全在内存中的进程

操作系统的行为(拓展)

中断和异常

中断和异常是什么

  • 硬件驱动的 interrupt(中断)
  • 软件错误或者请求导致的 exception(异常) 或者 trap(陷阱)
  • 其他进程问题包括无限循环以及进程之间相互修改

如何保护

  • 双模式(Dual-mode)操作允许操作系统保护自身和其他系统组件
    1. 包括用户模式(user mode)和内核模式(kernel mode)
    2. 硬件提供的模式位(Mode bit)
      1. 提供区分系统是在运行用户代码还是内核代码的能力
      2. 特权指令只能再内核态下运行
      3. 系统调用可以切换到内核态，调用返回之后会切换为用户态

从用户态切换到内核态

a

计时器防止无限循环/进程占用资源

  1. 在特定时间后设置中断
  2. 操作系统递减计数器
  3. 当计数器为零时产生中断
  4. 在调度过程之前设置，以重新控制或终止超出分配时间的程序

进程管理

  • 进程工作需要一些必要的资源
    1. CPU, memory, I/O, files
    2. 初始化的数据
  • 进程终止需要回收任何可重用资源
  • 单线程进程有一个 pc 来指定下一个要执行的指令的位置
    1. 进程按顺序执行指令，每次执行一条，直到完成
  • 多线程进程每个线程有一个 pc
  • 通常系统有许多进程，一些用户，一些操作系统并发地运行在一个或多个 cpu 上
    1. 通过在进程/线程之间复用 cpu 来实现并发性

进程管理行为

  1. 创建和删除用户进程和系统进程
  2. 暂停和恢复进程
  3. 提供流程同步机制
  4. 提供流程通信机制
  5. 提供死锁处理机制

内存管理

  • 所有数据在处理前后都必须在内存中
  • 所有指令必须在内存中才能执行
  • 内存管理决定什么是在内存中
    1. 优化CPU利用率和计算机对用户的响应

内存管理行为

  1. 跟踪内存的哪些部分当前正在被谁使用
  2. 决定将哪些进程（或其中的一部分）和数据移入和移出内存
  3. 根据需要分配和释放内存空间

存储管理

  • 操作系统提供统一的、逻辑的信息存储视图
    1. 抽象物理属性到逻辑存储单元-文件
    2. 每种介质由设备(磁盘驱动器、磁带驱动器)控制
      1. 不同的属性包括访问速度、容量、数据传输速率、访问方法（顺序或随机）
  • 文件系统管理
    1. 文件通常组织到目录中
    2. 对大多数系统进行访问控制，以确定谁可以访问什么

存储管理行为

  1. 创建和删除文件和目录
  2. 操作文件和目录的原语
  3. 将文件映射到辅助存储
  4. 将文件备份到稳定(非易失性)存储介质上

大容量存储(Mass-Storage)管理

  • 通常，磁盘用于存储不能放在主存储器中的数据或必须保存长时间的数据。
  • 适当的管理是至关重要的
  • 计算机运行的整个速度取决于磁盘子系统及其算法

操作系统行为

  1. 空间管理
  2. 存储分配
  3. 磁盘调度

I/O 子程序

  • 操作系统的一个目的是向用户隐藏硬件设备的特性——易于使用和编程

I/O 子系统行为

  1. I/O的内存管理，包括缓冲(在传输数据时临时存储数据)、缓存(将部分数据存储在更快的存储中以提高性能)、假脱机(一个作业的输出与其他作业的输入重叠)
  2. 通用设备驱动程序接口
  3. 特定硬件设备的驱动程序

操作系统目的

  1. Abstraction 抽象与封装，只暴露一些接口
  2. Multiplex 空间管理：内存，时间管理：进程
  3. Isolation 用户和内核
  4. Sharing 不同用户对于内存磁盘CPU都是共享的
  5. Security 特权指令的安全，权限等
  6. Performance 更高的性能
  7. Range of uses 更广泛的应用，面对不同场景的使用以及跨平台使用

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