1.1 操作系统概念

1. 操作系统地位

   • 硬件抽象层（HAL）之上

   • 所有其它软件层之下

     

     • 运行视图
     • 系统库(lib)可调用操作系统，执行硬件指令
     • 应用程序可以调用lib和操作系统，执行硬件指令
     • 

   1. 操作系统的作用

      1. 管理系统中软硬件资源
         • 例如：CPU，内存，设备，文件
      2. 为用户(应用程序)提供良好的服务(界面)
         • 命令接口（联机和脱机），程序接口(系统调用），GUI

   2. 操作系统定义

      [!important]

      操作系统是位于硬件层(HAL)之上，所有其它软件层之下的一个系统软件，通过它管理系统中各种软硬件资源（计算机资源），使它们被充分利用，方便用户使用计算机系统（向上层提供和简便易用的接口）。

      1. 系统软件
      2. 管理资源
      3. 向上提供接口

操作系统的历史

1. 操作系统的产生

   1. 手工操作阶段
   2. 电子管：二进制程序，打孔：纸带和卡片
   3. 批处理阶段
      1. 联机批处理（单道批处理）：读卡机，磁带机（监管程序：OS雏形）：
      2. 脱机批处理：卫星机：
   4. 执行系统阶段：I/O处理机（通道和中断技术）

2. 操作系统的完善

   1. 多道批处理系统：多道批处理:主机中同时放多个作业,最大限度提高资源利用率，标志操作系统走向成熟(在作业执行时用户不能直接干预，交互性差)
   2. 分时系统：时间片轮换（用于多用户，交互性好）
   3. 实时系统：时间约束（硬实时：严格时间约束）（软实时：时间约束宽松）：及时响应特性
   4. 通用操作系统：通用操作系统可以同时处理实时任务、接受终端请求、运行成批作业。

3. 操作系统的发展

   网络操作系统

   分布式操作系统

   多处理机操作系统

   单用户操作系统

   面向对象操作系统

   嵌入式操作系统

   智能卡操作系统

   多核技术下新一代操作系统

操作系统的特性

1. 并发性

   • 多个程序在宏观上同时向前推进，微观上依旧是交替进行
   • 例如OS与OS并发，用户程序与OS,用户程序与用户程序
   • 不同于并行，即多个程序同时进行

2. 共享性

   • 多个程序共用系统中的各种软硬件资源

   • 在操作系统的协调和控制下

   • 又分为互斥共享（宏观同时，微观交替），同时共享（同一时刻访问）

3. 程序异步性

   • 在多道程序环境下，允许多个程序并发执行，但由于资源有限，进程的执行不是一贯到底的，而是走走停停，以不可预知的速度向前推进，这就是进程的异步性；

   • 所以只有系统拥有并发性，才有可能导致异步性。

   • 交替的切换点是中断：

     用户程序向操作系统切换；

     操作系统程序向操作系统程序切换（中断嵌套）。

   • 中断随机发生，致使程序切换不确定、不可预知。

4. 虚拟性

   所谓虚拟就是利用某种技术把一个物理实体变为若干个逻辑实体

   空时复用（虚拟存储），时分复用（虚拟处理器）

[!note]

其中并发和共享互为存在条件，是操作系统最基本的两个特征；

并且虚拟和异步依赖于并发

操作系统运行环境

定时装置

1. 绝对时钟

   记载实际实践，不发生中断

   • 系统操作员可以修改，一般用户使用

   • 绝对时钟的值保存于硬件寄存器中

   • 程序可以读取绝对时钟的值

2. 间隔时钟

   定时发生中断，一般间隔单位为毫秒

   • 间隔时钟是实现多道程序的基础—保证操作系统获得控制权。

   • 其它中断也进入操作系统，但是否发生，何时发生没有保障。

   • 通过间隔时钟可以构造逻辑时钟。

堆和栈

• 尽管用户进程的“堆”和“栈”在物理上通常是相邻的。每个运行程序都有一个堆和两个栈（一个用户栈，一个系统栈）

• 堆属于用户空间，用于保存程序中的动态变量

  例如树的结点，堆空间由操作系统分给运行程序，由于不同程序运行时对动态变量的使用不同，因而堆空间大小需求不定。

• 用户栈属于用户空间，用于保存用户函数调用时的返回点、参数、局部变量、返回值。除此之外，用户栈还要传送调用操作系统时传给操作系统的参数。

  用户程序调用操作系统时，有两个载体可以用来传递参数：

  • 寄存器：比较小的数据如：一个字符、一个整数、一个浮点数

  • 用户栈：比较长的参数如：文件名

  对每个系统调用，操作系统都规定了参数和返回值的存放位置，用户程序必须遵循相应的规定

• 系统栈也称为核心栈，逻辑上属于操作系统空间

  程序切换的同时伴随着堆和用户栈以及系统栈的切换，但硬件的栈指针是多个进程共享的。

  作用：

  • 中断响应时保存中断现场
  • 保存函数调用返回点、参数、局部变量、返回值

  内存中操作系统空间的一个固定区域

寄存器

• 硬件系统提供一套寄存器，由运行程序使用。

• 程序切换时，一般需要把寄存器的当前值保存起来，再次运行前再恢复。

  1. 程序状态字
  2. 指令计数器
  3. SP
  4. regs
  5. fregs
  6. 地址映射寄存器

特权指令与非特权指令

1. 特权指令(privileged instruction)

   只有在管态才能执行的指令(影响系统状态)

   特权指令只有操作系统（内核空间）才能执行，用户程序（用户空间）不可执行

2. 非特权指令(non-privileged instruction)

   在管态和目态都可以执行的指令(不影响系统状态)

处理机状态及状态转换

1. 处理机状态

   系统态（system mode）(管态，核态)

   用户态（user mode) (目态，常态)

2. 状态转换

   1. 管态 ->目态(中断返回，置程序状态字）
   2. 目态 -> 管态(中断，trap又称为陷入指令)

地址映射机构

• 逻辑地址映射到物理地址
  • 逻辑地址(虚地址)：程序中产生的地址
  • 物理地址(实地址)：存储器地址

存储保护设施

1. 防止应用程序
   1. 侵犯操作系统空间
   2. 侵犯其它用戶空间
   3. 对共享区域的非法访问
2. 地址检查
   1. 越界检查;
   2. 越权检查（对共享区域）

中断装置

• 发现并响应中断的硬件机构

当前（PSW，PC）->系统栈

中断向量（PSW，PC）->寄存器；中断向量由硬件实现

通道与DMA

1. 通道：接受CPU委托完成输入输出操作任务，即负责IO操作的处理机
2. DMA：接受CPU委托直接依靠硬件完成数据在主存和块设备之间的传输

相同点：实现IO设备和内存之间建立数据直传通路

不同点

• DMA只能实现固定的数据传送控制，而通道有自己的指令和程序
• DMA只能控制一台或者少数几台同类设备，而一个通道可以控制多台同类或者不同的设备

I/O保护

• 定义所有I/O指令为特权指令
• 方便使用：用户使用I/O指令做I/O传输非常麻烦
• 防止发生冲突