操作系统 2.6-操作系统的初步实现

以下是操作系统一步一步实现CPU管理的概述，以及在此过程中遇到的问题和解决方案：

也是对前面章节的一个总结

1. 单任务执行

• 问题：早期的计算机系统只能顺序执行程序，导致CPU利用率低下。

• 解决方案：引入多任务概念，允许多个程序并发执行。

2. 多任务和多进程

• 问题：需要在多个任务间有效切换，实现资源共享和隔离。

• 解决方案：引入进程概念，每个进程拥有独立的地址空间和资源。

3. 进程切换（Context Switching）

• 问题：如何保存和恢复进程状态，以便在多个进程间切换。

• 解决方案：使用任务状态段（TSS）和线程控制块（TCB）保存进程状态。

4. 用户级线程和内核级线程

• 问题：用户级线程切换不涉及内核，而内核级线程需要内核参与。

• 解决方案：内核级线程通过内核进行切换，涉及修改TSS和TCB。

5. 栈的使用

• 问题：进程切换时需要保存和恢复CPU寄存器状态。

• 解决方案：使用栈来保存和恢复寄存器状态，特别是栈指针（ESP/SS）。

6. 系统调用和中断

• 问题：用户程序如何请求操作系统服务，如创建进程。

• 解决方案：通过系统调用（如fork()）和中断（如int 0x80）触发内核操作。

7. 调度算法

• 问题：如何决定哪个进程应该获得CPU时间片。

• 解决方案：实现调度算法（如轮转、优先级、多级反馈队列）来选择下一个要执行的进程。

8. 内存管理

• 问题：如何有效管理内存，确保进程间内存隔离和有效利用。

• 解决方案：引入内存管理单元（MMU），实现虚拟内存和分页。

9. 时钟中断和定时器

• 问题：如何实现进程的时间片轮转和定时调度。

• 解决方案：使用时钟中断和定时器，定期触发调度程序。

10. 内核数据结构

• 问题：如何组织内核数据结构以支持进程管理。

• 解决方案：设计和实现全局描述符表（GDT）、任务状态段（TSS）、进程控制块（PCB）等数据结构。