操作系统 408-1-3&4&5&6

# 操作系统的运行机制

• 应用程序：普通程序员编写的程序就是 "应用程序"

• 内核程序：实现操作系统的程序就是内核程序。由很多内核程序组成了 "操作系统内核"，或简称内核。内核是操作系统最重要最核心的部分，也是最接近硬件的部分

操作系统的功能未必都在内核中，如图形化界面 GUI

• 特权指令
  • 操作系统内核作为 "管理者"，有时会让 CPU 执行一些 "特权指令"，如：内存清零指令。这些指令影响重大，只允许 "管理者"—— 即操作系统内核来使用
• 非特权指令
  • 应用程序使用的指令即为 "非特权指令"，如：加法指令、减法指令等

在 CPU 设计和生产的时候就划分了特权指令和非特权指令，因此 CPU 在执行一条指令前就能判断出其类型

• 内核态
  • 处于内核态时，说明此时正在运行的是内核程序，此时可以执行特权指令
• 用户态
  • 处于用户态时，说明此时正在运行的是应用程序，此时只能执行非特权指令

拓展：CPU 中有一个寄存器叫程序状态寄存器 (PSW)，其中有个二进制位，1 表示内核态，0 表示用户态

别名：内核态 = 核心态 = 管态；用户态 = 目态

# 内核态、用户态的切换

内核态 -> 用户态：执行一条特权指令 —— 修改 PSW 的标志位为用户态，这个动作意味着操作系统将主动让出 CPU 使用权

用户态 -> 内核态：由中断引发，硬件自动完成变态过程，触发中断信号意味着操作系统将强行夺回 CPU 的使用权

注：除了非法使用特权指令外，还有很多事件会触发中断信号。一个共性是，但凡需要操作系统介入的地方，都会触发中断信号

# 中断和异常

中断的作用：

• 让操作系统内核强行夺回 CPU 的控制权
• 让 CPU 从用户态变为内核态

# 中断

内中断

与当前执行的指令有关，中断信号来源于 CPU 内部（陷阱、陷入、故障、终止）

例子：

• 在用户态下执行特权命令
• 执行除法指令时发现除数为 0
  • 若当前执行的指令是非法的，则会引发一个中断信号
• 程序请求操作系统内核的服务，会执行一条特殊的指令 —— 陷入指令，该指令会引发一个内部中断信号
  • 执行陷入指令，意味着应用程序主动地将 CPU 控制权还给操作系统内核。"系统调用" 就是通过陷入指令完成的

外中断

与当前执行的指令无关，中断信号来源于 CPU 外部

例子：

• 时钟中断 —— 由时钟部件发来的中断信号
• I/O 中断请求

内中断一般称为异常，外中断就是狭义的中断

中断机制的基本原理

不同的中断信号，需要用不同的中断处理程序来处理。当 CPU 检测到中断信号后，会根据中断信号的类型去查找 "中断向量表"，以此来找到相应的中断处理程序在内存中的存放位置

# 系统调用

操作系统作为用户和计算机硬件之间的接口，需要向上提供一些简单易用的服务。主要包括命令接口和程序接口。其中，程序接口由一组系统调用组成。

系统调用是操作系统提供给应用程序 (程序员 / 编程人员) 使用的接口，可以理解为一种可供应用程序调用的特殊函数，应用程序可以通过系统调用来请求系统内核的服务

系统调用与库函数区别

从下往上依次层次增加

为什么系统调用是必须的

由操作系统内核对共享资源进行统一的管理，并向上提供 "系统调用"，用户进程想要使用打印机这种共享资源，只能通过系统调用向操作系统内核发出请求。内核对各个请求进行协调处理

系统调用

• 设备管理：完成设备的请求 / 释放 / 启动等功能
• 文件管理：完成文件的读 / 写 / 创建 / 删除等功能
• 进程控制：完成进程的创建 / 撤销 / 阻塞 / 唤醒等功能
• 进程通信：完成进程之间的消息传递 / 信号传递等功能
• 内存管理：完成内存的分配 / 回收等功能

应用程序通过系统调用请求操作系统的服务。而系统中各种共享资源都由操作系统内核统一掌管，因此凡是与共享资源有关的操作 (如存储分配、I/O 操作、文件管理等)，都必须通过系统调用的方式向操作系统内核提出服务请求，由操作系统内核代为完成。这样可以保证系统的稳定性和安全性，防止用户进行非法操作

系统调用过程

传递系统调用参数 -> 执行陷入命令 (用户态)-> 执行相应的内请求核程序处理系统调用 (核心态)-> 返回应用程序

注意：

• 陷入指令是在用户态执行的，执行陷入指令之后立即引发一个内中断，是 CPU 进入核心态
• 发出系统调用请求是在用户态，而对系统调用的相应处理在核心态下进行

# 操作系统的体系结构

# 操作系统的内核

内核是操作系统最基本、最核心的部分。

实现操作系统内核功能的那些程序就是内核程序

操作系统内核：

• 时钟管理：实现计时功能
• 中断处理：负责实现中断机制
• 原语：
  • 是一种特殊的程序
  • 处于操作系统的最底层，是最接近硬件的部分
  • 这种程序的运行具有原子性 —— 其运行只能一气呵成，不可中断
  • 运行时间较短、调用频繁
• 对系统资源进行管理的功能
  • 进程管理
  • 存储器管理
  • 设备管理

注：上三条是与硬件关联较紧凑的模块，最后一条的管理工作更多是对数据结构的操作，不会直接涉及硬件

操作系统两种体系结构

大内核：

• 将操作系统的主要功能模块都作为系统内核，运行在核心态
• 优点：高性能
• 缺点：内核代码庞大，结构混乱，难以维护

微内核：

• 只把最基本的功能保留在内核
• 优点：内部功能少，结构清晰，方便维护
• 缺点：需要频繁地在核心态和用户态之间切换，性能低

操作系统结构

注：标星号的重点关注

# 操作系统引导

操作系统的引导（开机过程）：

• CPU 从一个特定主存地址开始，读指令，执行 ROM 中的引导程序 (先进行硬件自检，再开机)
• 将磁盘的第一块 —— 主引导记录读入内存，执行磁盘引导程序，扫描分区表
• 从活动分区 (又称主分区，即安装了操作系统的分区) 读入分区引导记录，执行其中的程序
• 从根目录下找到完整的操作系统初始化程序 (即启动管理器) 并执行，完成 "开机" 的一系列动作

例：Windows 操作系统的初始化程序可在 "根目录 / Windows/Boot" 下找到

# 虚拟机

虚拟机：使用虚拟技术，将一台物理机器虚拟化为多台虚拟机器，每个虚拟机器都可以独立运行一个操作系统

同义术语：虚拟机管理程序 / 虚拟机监控程序

第一类 VMM，直接运行在硬件上

第二类 VMM，运行在宿主操作系统上

两类虚拟管理程序 (VMM) 的对比