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一、操作系统结构

操作系统结构一般有：单体系统、分层结构、微内核、客户-服务器系统、虚拟机和外核。

二、单体系统

1、了解单体系统

• 单体系统
  • 是指整个操作系统作为一个单一的、完整的程序运行。在这种设计中，操作系统的所有功能（如进程管理、内存管理、文件系统、设备驱动等）都集成在一个大的程序中，运行在内核态。
• 特点：
  • 高度集成：所有功能模块都紧密耦合，运行在同一个地址空间。
  • 高性能：由于模块之间的调用是直接的函数调用，没有额外的通信开销，因此性能较高。
  • 难以维护和扩展：由于所有功能模块都集成在一起，修改一个模块可能会影响其他模块，导致系统难以维护和扩展。
  • 可靠性问题：一个模块的错误可能导致整个系统崩溃。

2、结构

• 单体系统开发的过程中，遵循以下原则
  • 主程序：作为系统的入口点，负责初始化系统并调度其他服务程序。
  • 服务过程：直接处理系统调用，是内核与用户空间交互的桥梁。
  • 实用（辅助服务）程序：为服务过程提供支持，如数据处理、资源管理等，形成层次化的服务架构。

三、分成系统

1、了解

• 分层系统
  • 其核心思想是将操作系统的功能划分为多个层次（Layer），每一层只依赖于其下一层提供的服务，并为上一层提供服务。这种设计方式通过层次化的结构，提高了系统的模块化、可维护性和可扩展性。
    

2、结构

四、微内核

1、了解

• 微内核
  • 其核心思想是将操作系统的最基本功能（如进程管理、内存管理、进程间通信等）保留在内核中，而将其他功能（如文件系统、设备驱动、网络协议栈等）移到用户空间，作为独立的服务运行。
    

2、结构

• 微内核之外，系统的结构可以分为三层全部运行在用户态下。

五、客户-服务器模式

1、了解

• 客户-服务器模式
  • 把进程划分为两类： 服务器 ，每个服务器用来提供服务； 客户端 ，使用这些服务。这个模式就是所谓的 客户-服务器 模式。
  • 客户通过发送消息与服务器通信，客户端并不需要知道这些消息是在本地机器上处理，还是通过网络被送到远程机器上处理。对于客户端而言，这两种情形是一样的：都是发送请求并得到回应。
    

六、计算机启动过程

1、简明启动过程

那么有了上面一些硬件再加上操作系统的支持，我们的计算机就可以开始工作了，那么计算机的启动过程是怎样的呢？下面只是一个简要版的启动过程。

• 操作系统的启动流程通常分为以下几个阶段：
  • 加电自检（Power-On Self-Test, POST）：
    • 硬件初始化，检查硬件设备是否正常工作。
  • 加载引导加载程序（Bootloader）：
    • 从存储设备（如硬盘、SSD）加载引导加载程序到内存。
  • 引导加载程序执行：
    • 引导加载程序加载操作系统的内核到内存。
  • 操作系统内核初始化：
    • 内核初始化硬件设备、内存管理、进程管理等核心功能。
  • 用户空间初始化：
    • 启动系统服务、加载用户界面（如命令行或图形界面）。

2、linux和Windows启动过程

• 1）Linux 启动流程
  • BIOS/UEFI：执行 POST，加载 GRUB 引导加载程序。
  • GRUB：加载 Linux 内核和 initramfs。
  • Linux 内核：初始化硬件，挂载根文件系统，启动 init 或 systemd。
  • systemd：启动系统服务，加载用户界面。
• （2）Windows 启动流程
  • BIOS/UEFI：执行 POST，加载 Windows Boot Manager。
  • Windows Boot Manager：加载 Windows 内核（NTOSKRNL.EXE）。
  • Windows 内核：初始化硬件，启动系统服务（如 SMSS.EXE）。
  • 用户登录：加载图形界面，显示登录界面。

3、启动流程的关键技术

• BIOS vs UEFI：
  • BIOS 是传统的固件接口，使用 MBR 分区表。
  • UEFI 是现代固件接口，支持 GPT 分区表和更大的硬盘容量。
• 引导加载程序：
  • GRUB：Linux 常用的引导加载程序。
  • Windows Boot Manager：Windows 的引导加载程序。
• initrd 和 initramfs：
  • 用于在内核启动初期提供临时的根文件系统，以便加载必要的驱动和模块。
• systemd：
  • 现代 Linux 系统的初始化系统，取代了传统的 init。

七、发展史

推荐看这个视频，了解，里面有许多讲解

1、手工操作阶段

就是人为进行。没有软件。比如：旧时代的电影，需要人在那里放一卷又一卷的胶片。

2、批处理阶段

2.1、单道批处理

• 内存上只能放一道作业。
• 由一个监督程序进行管理，监督程序可以将外面的作业“调度到内存中，然后”计算机上执行。【操作系统在用户执行的。说明操作系统不是都在内核态】

2.2、多道批处理

• 内存上可以放多个作业。
• 正在执行的作业I/O很慢等原因而暂停时，I/O设备利用率高 ，可以马上调度另一道作业执行。
• 无交互能力,当作业提交给系统后，用户不能再与作业交互，无法修改或者调试。

3、分时操作阶段

• 将计算机资源以时间片为单位，定时的，为多个作业服务【一台主机同时连接多台终端】。
• 优点：可以即时响应，解决人机交互问题。

4、实时操作阶段

• 紧急作业，不需要时间片排队
• 系统接收外部信号可及时处理