ch1 操作系统导论

1.1 操作系统的功能

1. 计算机系统的组成部分？
   • 硬件、操作系统、系统程序和应用程序、用户
2. 两个视角
   • 用户视角：OS的设计目的是为了用户使用方便，性能是相对次要的
   • 系统视角：OS是资源分配器和控制程序
3. 操作系统的作用？
   • 是一组控制和管理计算机硬件和软设备资源、合理地对各类作业进行调度，以及方便用户的程序集合
   • 是用户和计算机的接口、同时也是计算机硬件和其他软件的接口

1.2 计算机系统的组织

1. 中断
   • 中断四部曲：
   1. 保护断点：保存下一个要执行的额指令的地址并且压入堆栈中
   2. 寻找中断服务入口地址：根据不同中断产生的中断向量查询中断服务入口地址
   3. 执行中断处理程序
   4. 中断返回： 从中断指令返回到主程序继续执行
2. 陷阱（トラップ（雾
   • 一种软件产生的中断
   • 源于程序出错或者用户程序的特别请求（系统调用）
   • 完成中断处理后将CPU控制权再交给提出陷阱请求的程序
3. 中断和陷阱的区别
   • 陷阱又称之为软中断，软件实现，是程序运行时其他程序对他的中断，是程序安排好的
   • 此外还有硬中断，硬件实现，是程序运行时硬件设备对它的中断，有随机性和突发性
4. 计算机启动和固件的概念
   • 计算机启动过程一般指计算机从加电到加载操作系统的过程
   • 计算机打开电源或重启时，需要运行一个引导程序（bootstrap program），其常常位于ROM或者EEPROM中，称之为计算机硬件中的固件
5. 储存结构（从高到低）
   • 电子磁盘以上是易失性存储(volatile storage)，以下是非易失性存储(non-volatile storage)，电子磁盘可以被设计成非易失性存储也可以是易失性存储

$$\begin{array}{r}\stackrel{register}{\mathrm{寄}\mathrm{存}\mathrm{器}}\to \stackrel{cache}{\mathrm{缓}\mathrm{存}}\to \stackrel{mainmemory}{\mathrm{主}\mathrm{存}}\to \stackrel{electronicdisk}{\mathrm{电}\mathrm{子}\mathrm{磁}\mathrm{盘}}\\ \to \stackrel{maganeticdisk}{\mathrm{磁}\mathrm{盘}}\to \stackrel{opticaldisk}{\mathrm{光}\mathrm{盘}}\to \stackrel{magnetictape}{\mathrm{磁}\mathrm{带}}\end{array}$$

6. I/O结构
   • 通用计算机系统由一个或多个CPU和若干的外部设备组成，通过总线连接起来
   • 操作系统为每一个设备控制器提供一个设备驱动程序
   • DMA（direct memory access）方式： 每一个块产生一个中断，内存和设备直接进行数据交换，不需要CPU参与

1.3 计算机系统体系结构

1. 多处理器系统中对称多处理和非对称多处理的区别
   • 非对称多处理（AMP）：处理器之间是主从关系，一个处理器控制系统并向其他处理器分配任务，主处理器单独做I/O任务
   • 对称多处理（SMP）：处理器之间平等，I/O可以被任一处理器处理
2. 多处理器系统的优点
   • 增加吞吐量
   • 规模经济
   • 增加可靠性

1.4 操作系统结构

1. 多道程序（multi-programming）的概念
   • 操作系统同时把多个任务保存再内存中，如果一个执行中的任务需要等待一个事件的完成则CPU切换到另一个任务并执行而不是空等待原任务完成
2. 三种主要类别的操作系统
   • 批处理系统：用户将作业交给系统的操作员，系统的操作员将许多用户的作业组成一批作业（jobs）之后输入到计算机中，再系统中形成一个自动转接的连续作业流，系统自动的、依次的执行每个作业，最后操作员将作业结果交给用户
     • 优点：作业流程自动化、效率高、吞吐量大
     • 缺点： 无交互手段、调试程序困难
   • 分时系统：操作系统将CPU的时间划分为若干个时间片，以时间片为单位，在用户间快速的切换，轮流为每个终端用户服务，每次服务一个时间片；由于切换频率极高，用户感到整个系统只为自己所用，是多道程序的延伸。由于高频率切换可以让用户在程序运行期间与之进行交互。
   • 实时系统：当外界事件或数据产生时，能够接受并以足够快的速度予以处理，其处理的结构又能在规定时间内来控制生产过程或对处理系统做出快速的响应，并实时控制所有实时任务协调一致的操作系统。

1.5 操作系统的操作

1. 双重操作模式
   • 组成：用户模式（user mode）和核心模式（kernel mode），即用户模式下应用程序需要操作系统的服务时必须切换到核心模式由操作系统完成相应请求。
   • 动机：将能引起机器损害的指令作为特权指令（privileged instruction），如转换到用户模式，I/O控制，定时器管理和中断管理等，通过识别模式位保证特权指令只能由操作系统完成，保护操作系统和用户程序不受错误用户程序影响
2. 定时器
   • 确保OS对CPU的控制，同时防止用户程序陷入死循环等情况不将控制权返回OS，使用定时器再给定时间后中断

1.6 例题

1. 说明操作系统对CPU，I/O，memory的保护的目的以及保护措施
   • CPU：
     • 目的：确保操作系统维持对CPU的控制，防止用户程序陷入死循环或不调用系统服务，并且不将控制权返回到操作系统
     • 措施：使用定时器，将其设置为再给定时间后中断计算机。用于修改定时器的操作设置为特权指令
   • I/O：
     • 目的：防止用户发出I/O指令，防止用户非法使用I/O设备
     • 措施：将I/O指令设置为特权指令
   • memory：
     • 目的：防止用户非法访问和修改内存其他位置的信息
     • 措施：将修改基址寄存器（base reigster）和长度寄存器（limit register）的指令设置为特权指令