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第1章计算机系统概述

news 2025/9/25 16:33:17

1、操作系统的定义

操作系统（OS）是控制和管理整个计算机系统的硬件和软件资源，合理组织调度计算机的工作和资源分配的系统软件。

操作系统是系统资源的管理者；
提供用户和其他软件方便的接口和环境；
是最接近硬件的一层软件。

2、操作系统的功能和目标

1）作为系统资源的管理者

提供功能
- 处理机管理（CPU）
- 存储器管理（内存）
  - 执行一个程序前需要将该程序放到内存中，才能被CPU处理。
- 文件管理
- 设备管理
目标
- 安全、高效

2）向上层提供方便易用的服务

封装思想：将硬件功能封装成简单易用的服务
提供以下接口：
- GUI（图形用户界面）
- 命令接口：
  1. 联机命令接口（交互式）
    - 例如：命令行。
  2. 脱机命令接口（批处理式）
    - 例如：.bat文件。
- 程序接口（系统调用（广义指令））：供程序员通过代码调用

3）作为最接近硬件的层次

实现对硬件机器的扩展；
将裸机改造成虚拟机，功能更强、使用更方便。

3、操作系统的特征

并发和共享是两个最基本的特征，二者互为存在条件；没有并发和共享，就没有虚拟和异步。

1）并发

指多个事件在同一时间间隔内发生（宏观同时，微观交替）。
并行：指多个事件在同一时刻发生。
单核CPU只能并发，多核CPU可以并行。

2）共享

资源可供多个并发进程共同使用。
两种共享方式：
- 互斥共享：如摄像头、打印机。
- 同时共享：如硬盘（宏观同时，微观交替）。

3）虚拟

将一个物理实体变为多个逻辑实体。
两种虚拟技术：
- 空分复用技术：如虚拟内存。
- 时分复用技术：如虚拟处理器（CPU分时复用）。

4）异步

进程执行走走停停，速度不可预知。
原因：资源有限，进程竞争资源。

4、操作系统的发展和分类

本小节主要关注1-4的操作手段的优缺点；

操作系统的发展历程（手工→批处理→分时→实时）。

1）手工操作阶段

缺点：人机速度矛盾，资源利用率低。

2）批处理阶段

①单道批处理系统

引入脱机输入/输出技术和监督程序。
优点：缓解人机速度矛盾。
缺点：资源利用率低，CPU等待I/O。

②多道批处理系统

操作系统正式诞生，支持多道程序并发。
优点：资源利用率高，系统吞吐量大。
缺点：无人机交互，用户不能干预作业。

3）分时操作系统

以时间片轮流为用户服务。
优点：提供人机交互，多用户独立使用。
缺点：不能处理紧急任务。

4）实时操作系统

优点：能优先响应紧急任务。
分类：
- 硬实时系统：必须严格按时完成（如导弹控制）。
- 软实时系统：可偶尔违反时间规定（如12306）。

5）其他操作系统

网络操作系统：实现资源共享和通信（如Windows NT）。
分布式操作系统：多机协同，并行处理。
个人计算机操作系统：如Windows、macOS。

5、操作系统的运行机制

1）两种指令

特权指令：如内存清零、修改程序状态字（PSW）等，仅内核程序可使用。
非特权指令：如加减乘除等，应用程序和内核程序均可使用。

2）两种处理器状态

内核态（核心态/管态）：运行内核程序，可执行所有指令。
用户态（目态）：运行应用程序，只能执行非特权指令。

3）内核程序 vs. 应用程序

内核程序：操作系统核心部分，管理资源，运行在内核态。
应用程序：普通程序，运行在用户态，需通过系统调用请求内核服务。

4）状态切换（变态）

用户态 → 内核态：通过中断实现，硬件自动完成。
内核态 → 用户态：通过执行修改PSW的特权指令实现。

6、中断和异常

1）中断的作用

是操作系统夺回CPU控制权的唯一途径；
实现用户态到内核态的转换。

2）中断的类型

①内中断（异常、例外）

与当前指令相关，信号来自CPU内部
1. 陷入（trap）：故意引发，如系统调用；
2. 故障（fault）：可修复，如缺页；
3. 终止（abort）：不可修复，如除0、非法指令。

②外中断（中断）

与当前指令无关，信号来自CPU外部
1. 时钟中断：时间片到期；
2. I/O中断：设备完成任务。

3）中断处理流程

检测中断信号；
查询中断向量表，找到中断处理程序；
执行中断处理程序（运行在内核态）。

7、系统调用

1）什么是系统调用？

操作系统提供给应用程序的接口，用于请求内核服务；
通过陷入指令（trap/访管指令） 触发。

2）系统调用 vs 库函数

系统调用：内核提供，需陷入内核态执行；
库函数：可能封装系统调用，也可能独立实现（如取绝对值）。

3）为什么需要系统调用？

保证资源共享的安全性和系统稳定性；
防止应用程序直接操作硬件或资源。

4）系统调用的分类

设备管理：如请求/释放设备；
文件管理：如创建/删除/读写文件；
进程控制：如创建/终止进程；
进程通信：如消息传递；
内存管理：如内存分配。

5）系统调用过程

传递参数（通过寄存器）；
执行陷入指令（用户态）；
CPU切换到内核态，执行相应内核程序；
返回用户态，继续执行应用程序。

下图中，应用程序会有一条trap指令，交由CPU执行，此时，由内核程序接管CPU的控制，假设需要应用程序需要用到fork系统调用的处理程序，那么则会将该处理程序交由CPU执行，执行完毕后，将控制权交由应用程序继续执行其他指令。

8、操作系统体系结构

1）内核

操作系统最核心的部分，包含：
1. 时钟管理、中断处理、原语（原子操作）；
2. 进程管理、存储管理、设备管理。

2）体系结构分类

①大内核（宏内核/单内核）

所有功能模块都在内核中。
优点：高性能，模块间直接调用。
缺点：内核庞大，难以维护。
例子：Linux、UNIX。

②微内核

仅最基本功能在内核中，其他功能以服务形式运行在用户态。
优点：结构清晰，易于维护，可靠性高。
缺点：性能低，需频繁切换状态。
例子：Windows NT。

变态的过程是有成本的，要消耗不少时间，频繁地变态会降低系统性能。

③分层结构

内核分为多层，每层只能调用下一层。
优点：易于调试和维护。
缺点：效率低，层间调用受限。

④模块化

内核划分为独立模块，可动态加载。
优点：灵活性强，易于扩展。
缺点：模块间依赖复杂。

⑤外核（Exokernel）

直接分配硬件资源给应用程序，减少抽象层。
优点：高效、灵活。
缺点：系统复杂性高，一致性差。

操作系统体系结构对比表

⭐ 表示表中重点内容
🟡 表示表中新增重点内容

结构类型	特性与思想	优点	缺点
分层结构	内核分多层，每层可单向调用更低一层提供的接口	⭐1. 便于调试和验证，自底向上逐层调试验证； 2. 易扩充和易维护，各层之间调用接口清晰固定	1. 仅可调用相邻底层，难以合理定义各层的边界； ⭐2. 效率低，不可跨层调用，系统调用执行时间长
模块化	将内核划分为多个模块，各模块之间相互协作； ⭐内核 = 主模块 + 可加载内核模块	1. 模块间逻辑清晰易于维护，确定接口后可多模块同时开发； ⭐2. 支持动态加载新模块，增强OS适应性； ⭐3. 模块可直接调用，效率高。	1. 模块间的接口定义未必合理、实用； 2. 模块间相互依赖，更难调试和验证。
宏内核	所有系统功能都放在内核中（常采用模块化设计）	🟡1. 性能高，内核内部功能可直接相互调用	🟡1. 内核庞大功能复杂，难以维护； 🟡2. 某个功能模块出错可能导致整个系统崩溃。
微内核	仅最核心功能（中断、原语、进程通信等）在内核中，其余功能以用户进程形式运行	🟡1. 内核小功能少，易于维护，可靠性高； 2. 内核外功能模块出错不会导致整个系统崩溃。	🟡1. 性能低，需频繁切换用户态/核心态； 🟡2. 用户态功能模块不能直接调用，需通过内核消息传递间接通信。
外核	⭐内核负责进程调度、通信等；外核负责为用户进程分配未经抽象的硬件资源并保证安全	⭐1. 可直接分配非虚拟化资源，更灵活； ⭐2. 减少映射层，提升效率。	1. 降低了系统的一致性； 2. 使系统变得更复杂。

分层结构

模块化

外核

9、操作系统引导（Boot）

1）引导过程

CPU从一个特定主存地址开始，取指令，执行ROM中的引导程序（先进行硬件自检，再开机），即BIOS中的自举程序。
读取磁盘的主引导记录（MBR），执行其中的引导程序。
扫描分区表，找到活动分区。
读取活动分区的分区引导记录（PBR）。
加载操作系统初始化程序（如Windows的Boot Manager）。
完成启动。

2）相关概念

MBR：包含引导程序和分区表。
PBR：活动分区的引导记录。
BIOS：基本输入输出系统，存储自举程序。

10、虚拟机

1）虚拟机概念

通过虚拟化技术，将一台物理机虚拟为多台虚拟机（VM）。
每台VM可运行独立的操作系统。

2）虚拟机监控程序（VMM / Hypervisor）

两类虚拟机管理程序的对比

特性	第一类VMM	第二类VMM
对物理资源的控制权	直接运行在硬件之上，能直接控制和分配物理资源	运行在Host OS之上，依赖于Host OS为其分配物理资源
资源分配方式	在安装Guest OS时，VMM要在原本的硬盘上自行分配存储空间，类似于"外核"的分配方式，分配未经抽象的物理硬件	GuestOS拥有自己的虚拟磁盘，该盘实际上是Host OS文件系统中的一个大文件。GuestOS分配到的内存是虚拟内存
性能	性能更好	性能更差，需要HostOS作为"中介"
可支持的虚拟机数量	更多，不需要和Host OS竞争资源，相同的硬件资源可以支持更多的虚拟机	更少，Host OS本身需要使用物理资源，Host OS上运行的其他进程也需要物理资源
虚拟机的可迁移性	更差	更好，只需导出虚拟机镜像文件即可迁移到另一台HostOS上，商业化应用更广泛
运行模式	第一类VMM运行在最高特权级（Ring 0），可以执行最高特权的指令	第二类VMM部分运行在用户态、部分运行在内核态。GuestOS发出的系统调用会被VMM截获，并转化为VMM对HostOS的系统调用

支持虚拟化的CPU通常分更多指令等级

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| 可支持的虚拟机数量 | 更多，不需要和Host OS竞争资源，相同的硬件资源可以支持更多的虚拟机 | 更少，Host OS本身需要使用物理资源，Host OS上运行的其他进程也需要物理资源 |
| 虚拟机的可迁移性 | 更差 | 更好，只需导出虚拟机镜像文件即可迁移到另一台HostOS上，商业化应用更广泛 |
| 运行模式 | 第一类VMM运行在最高特权级（Ring 0），可以执行最高特权的指令 | 第二类VMM部分运行在用户态、部分运行在内核态。GuestOS发出的系统调用会被VMM截获，并转化为VMM对HostOS的系统调用 |
支持虚拟化的CPU通常分更多指令等级