计算机操作系统笔记总结：Part1 计算机系统概述

以你之姓@ 2023-09-27 10:24 2阅读 0赞

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# 写在前面 #

hello，大家好，我是黄小黄。今天开始将进行计算机操作系统的学习啦，文章内容主要参考王道考研408的书籍与课程，与操作系统相关的笔记都会记录在计算机操作系统的专栏中，欢迎点击订阅专栏：[**点击订阅**][Link 1]  
![在这里插入图片描述][139cd225cfd248b8a1e07f0812ea51f9.webp_pic_center]  
话不多说，正文开始！

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### 文章目录 ###

*  写在前面
 *  1 操作系统的概念与功能
 *  2 操作系统的特征
 *  3 操作系统的发展与分类
 *  4 操作系统的运行机制
 *   *  4.1 特权指令与非特权指令
     *  4.2 内核态与用户态
 *  5 中断和异常
 *  6 系统调用
 *   *  6.1 什么是系统调用
     *  6.2 为什么系统调用是必须的？
     *  6.3 系统调用的过程
 *  7 操作系统的体系结构
 *  8 操作系统的引导
 *  9 虚拟机

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# 1 操作系统的概念与功能 #

我们先来看一下电脑是如何诞生的吧：

1.  厂商会把CPU、内存等硬件组装成一台裸机；
2.  而在裸机出售前，一般厂商都会安装一个操作系统；
3.  我们购买电脑后，可以在操作系统上安装应用程序（软件）；
4.  作为用户的我们，可以使用这些应用程序。

于是我们得到计算机系统的层次结构如下：  
![在这里插入图片描述][f7343ff39dd1433b90829b1658a5a24b.png]  
王道书上给出的操作系统的定义如下：

**操作系统(Operating System，OS)是指控制和管理整个计算机系统的硬件和软件资源，并合理地组织调度计算机的工作和资源分配，以提供给用户和其他软件方便的接口和环境，它是计算机最基本的系统软件。**

说明：

1.  操作系统作为软件和硬件中的一个层次，是系统资源的管理者；  
    ![在这里插入图片描述][99d1c92c0cbd4a68ae232b52bfd3b4ae.png_pic_center]
2.  操作系统需要向上层（应用程序和用户）提供方便易用的服务；
3.  操作系统是最接近硬件的一种的软件。

**操作系统的功能和目标–作为系统资源的管理者**  
有如下功能：

1.  处理机管理
2.  存储器管理
3.  文件管理
4.  设备管理

![在这里插入图片描述][d5fe9184c9ad4d84a3dc071e042e10f4.png]

**操作系统的功能和目标–向上层提供方便易用的服务**  
操作系统把一些丑陋的硬件功能封装成简单易用的服务，使用户能够更加方便地使用计算机，用户无需关心底层硬件的原理，只要对操作系统发出命令即可。具体见下图：  
![在这里插入图片描述][27bab5a4c9cb43ed90d321bd78b0e10e.png]  
操作系统使用举例：  
**直接给用户使用的**

*  GUI：很多操作系统提供了图形化用户接口，用户可以使用形象的图形界面进行操作，而不需要记忆复杂的命令；
 *  联机命令接口：又叫交互式命令接口，用户需要在命令行与计算机系统进行交互，用户说一句，系统跟着做一句，比如win系统我们常常使用的cmd；
 *  脱机命令接口：又叫批处理命令接口，如win系统的搜索功能，搜索某个盘的某个文件。用户说一堆，系统跟着做一堆。

**给软件/程序员使用的**

*  程序接口：用户通过程序间接使用，或者通过代码，例如"hello,world"程序中调用的printf函数，底层就是调用了系统提供的服务，使得字符在显示屏上打印。

**操作系统的功能和目标–作为最接近硬件的层次**  
**需要实现对硬件机器的扩展。** 没有任何软件支持的计算机称为裸机。在裸机上安装的操作系统，可以提供资源管理功能和方便用户的服务功能，将裸机改造成功能更强、更方便的机器。  
通常把覆盖了软件的机器称为扩充机器，又称为虚拟机。

操作系统对硬件的扩展主要体现在：将CPU、内存、磁盘、显示器等硬件合理组织起来，让各种硬件能够相互协调配合，实现更多更复杂的功能。

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# 2 操作系统的特征 #

![在这里插入图片描述][3efd4dfa5ade4fb2822a8113d71a0218.png]  
**并发：** 指两个或多个事件在同一时间间隔内发生，这些事件在宏观上是同时发生的，但是在微观上是交替发生的。  
**并行：** 指两个或多个事件同一时刻同时发生。（易混淆）

**考点**

> **单核CPU** 同一时刻只能执行 **一个程序，** 各个程序只能 **并发** 地执行；  
> **多核CPU** 同一时刻可以同时执行 **多个程序，** 多个程序可以 **并行** 地执行。

**共享：** 即资源共享，指系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程共同使用。

而共享有两种资源共享方式：

1.  **互斥共享方式：** 系统中的某些资源，虽然可以提供给多个进程使用，但一个时间段内只允许一个进程访问该资源，例如：使用QQ和微信视频，同一时间段只能将摄像头分配给其中一个进程；
2.  **同时共享方式：** 系统中的某些资源，允许一个时间段内由多个进程“同时”对它们进行访问，例如：同时使用QQ和微信发送文件，宏观上，两边都是在同时读取并发送文件，说明两个进程都在访问硬盘资源，微观上看，两个进程交替着访问硬盘。

**为什么说并发性与共享性互为存在条件？该如何理解？**  
答：以QQ微信同时发送文件为例，两个进程正在并发执行，需要共享地访问硬盘资源。如果失去了并发性，则系统只有一个程序正在运行，那么共享性就失去了存在的意义。如果失去共享性，则QQ微信不能同时访问硬盘资源，就无法实现同时发送文件，无法实现并发。

**虚拟：** 指把物理上的实体变为若干个逻辑上的对应物。物理实体是实际存在的，而逻辑对应物是用户感受到的。

**如何理解呢？** 我们知道，一个程序需要放入内存并给它分配CPU才能执行。而一个GTA5游戏需要4G运行内存，QQ需要256MB的内存，微信也要256MB内存，而假设电脑只有4GB内存，而这些程序运行需要的内存远远大于4GB，为什么可以同时运行呢？  
答：这是虚拟存储器技术。实际只有4GB内存，但是在用户看来似乎远远大于4GB。

**异步：** 指，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。**只有系统拥有并发性，才有可能导致异步性！**

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# 3 操作系统的发展与分类 #

![在这里插入图片描述][13f75e2fd2cd4624a3b9db057cc2f599.png]

**手工操作阶段**  
手工操作阶段计算过程如下图，可见**有明显缺点：** **用户独占全机、人机速度矛盾导致资源利用率基地！！！**  
![在这里插入图片描述][f8aa092b75904811bf9f9873ee7187c5.png]

**批处理阶段：单/多道批处理系统**  
**单道批处理：** 引入脱机输入/输出技术（用外围机+磁带完成），并由监督程序负责控制作业的输入、输出。**缓解了一定程度的人机速度矛盾，资源利用率有一定提升。** 但是依然**存在明显缺点：** **内存中仅能有一道程序运行，** 只有该程序运行结束后才能调入下一道程序。**CPU有大量的时间是在等待I/O完成，资源利用率仍然低。**  
![在这里插入图片描述][807b20d6265e4cf8955cff6a0dd47845.png]  
为了解决上述问题，采用了**多道批处理系统：** 每次往内存中读入多道程序，**多道程序可以并发执行，共享计算机资源，资源利用率大幅提升，** CPU和其他资源能保持忙碌状态，系统吞吐量增大。  
![在这里插入图片描述][95cda6754e9245a5ac5a90615602fd33.png]  
但是无论是单道还是多道批处理，**都没有实现人机交互，用户是无法调试程序的，** 为了解决该问题，就有了分时操作系统。

**分时操作系统**  
计算机以**时间片**为单位**轮流为各个用户/作业服务，** 各个用户可以通过终端与计算机进行交互。

**主要优点：** 用户的请求可以被及时响应，**解决了人机交互的问题。** 允许多个用户同时使用一台计算机，并且用户对计算机的操作相互独立，感受不到别人的存在。  
**主要缺点：** **不能优先处理一些紧急任务。** 不区分任务的紧急性。于是就有了实时操作系统。

**实时操作系统**  
在实时操作系统的控制下，计算机系统接收到外部信号后及时进行处理，并且要在严格的时限内处理完事件。实时操作系统的 **主要特点是及时性和可靠性。**

**主要优点：** 能够优先响应紧急任务，某些紧急任务不需时间片排队。

![在这里插入图片描述][038100ce7dae488a8bc0b6f9c5864886.png]

**网络操作系统**  
是伴随着计算机网络发展诞生的，能把网络中各个计算机有机结合起来，实现数据传送等功能，**实现网络中各种资源的共享（如文件共享）和各台计算机之间的通信。**

**分布式操作系统**  
主要特点是 **分布性和并行性。** 系统中的各台计算机地位相同，**任何工作都可以分布在这些计算机上，由它们并行、协同完成任务。**

**个人计算机操作系统：**  
如Window XP、MacOS等，方便个人使用。

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# 4 操作系统的运行机制 #

![在这里插入图片描述][768da04ef5b3406aa2df5cfcf59d61fa.png]

## 4.1 特权指令与非特权指令 ##

这里需要与cmd等命令行的指令进行区分。这里的指令指的是CPU能够看得懂的机器指令（一串二进制序列）

**在CPU设计和生产时候，就划分了特权指令和非特权指令，即CPU执行一条指令前就能判断出其类型。**

对于应用程序，只能使用“非特权指令”，例如加法指令，减法指令等。  
而对于内核程序，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。

## 4.2 内核态与用户态 ##

CPU能判断出指令类型，但是，它是如何区分正在运行的程序是内核程序还是应用程序的呢？

其实，CPU有两种状态，**“内核态”和“用户态”。**  
当CPU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。  
当CPU处于应用态时，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。

CPU中有一个寄存器叫做 **程序状态字寄存器（PSW），** 其中有个二进制位，1表示内核态，0表示应用态。

**用户态和内核态是如何进行转化的？**  
**内核态->用户态：** 执行一条特权指令–修改PSW标志位为“用户态”，这个动作意味着操作系统主动让出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。

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# 5 中断和异常 #

![在这里插入图片描述][0a1b141c41f340a9a9d0b036f2dfc9a8.png]  
**中断的作用**  
CPU上会运行两种程序，一种是操作系统内核程序，一种是应用程序。在合适的情况下，操作系统内核会把CPU的使用权主动让给应用程序。  
而 **“中断”是让操作系统内核夺回CPU使用权的唯一途径。**  
如果没有“中断”机制，那么一旦应用程序上CPU运行，CPU就会一直运行这个应用程序，就没有并发的一席之地了。

**中断的类型**

1.  内中断：与当前执行的指令有关，中断信号来源于CPU内部；
2.  外中断：与当前执行的指令无关，中断信号来源于CPU外部。

**内中断的实例：** 试图在用户态下执行特权指令、执行除法指令时发现除数为0。即：若当前执行的指令是非法的，则会引发一个中断信号。  
当然，有时候应用程序想要请求操作系统内核的服务，此时就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。

**外中断的实例：** 时钟中断–由时钟部件发来的中断信号。**每一条指令执行结束时，CPU都会例行检查是否有外中断信号。**  
![在这里插入图片描述][a602f3618675441782adf7dee08bac79.png]

**内中断也称异常**  
分为如下三种：

1.  **陷阱、陷入（trap）：** 由陷入指令引发，是应用程序故意引发的；
2.  **故障（fault）：** 由错误条件引起的，可能被内核程序修复。内核程序修复故障后会把CPU的使用权交还给应用程序，让它继续执行下去，如缺页故障；
3.  **终止（abort）：** 由致命错误引起，内核程序无法修复该错误，因此一般不再将CPU使用权还给引发终止的应用程序，而是直接终止该应用程序。如整数除以0、非法使用特权指令。

**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 **查询“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。具体硬件上的实现，将在计算机组成原理中探讨。

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# 6 系统调用 #

## 6.1 什么是系统调用 ##

“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函数，**应用程序可以通过系统调用来请求获得操作系统内核的服务。**

❓ **系统调用与库函数的区别？**  
答：系统调用应该是比高级语言的库函数更为底层的接口。不过，并不是所有库函数都涉及到系统调用，比如：取绝对值的函数… …  
系统调用与库函数的区别见下图：  
![在这里插入图片描述][68240426d6b0430ebd8fdbdb558a3cac.png]

## 6.2 为什么系统调用是必须的？ ##

例子见下图：  
![在这里插入图片描述][03131b12a8cd4fb8a5c32cce4a09022b.png]  
**那么什么功能需要用到系统调用呢？** 王道书给出了如下分类：

*  **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

系统调用相关功能涉及系统资源管理，进程管理等操作，需要特权指令，所以系统调用处理需要由操作系统欸和程序负责完成运行在核心态。用户程序可以执行trap命令发起系统调用，请求OS服务，相当于把CPU使用权交给OS内核程序。用户程序不能直接执行对系统影响很大的操作，必须通过系统调用的方式请求OS执行，以便保证系统稳定性和安全性，防止用户程序随意更改/访问重要的系统资源，影响其他进程执行。

## 6.3 系统调用的过程 ##

**传递系统调用参数->执行陷入指令（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。**

OS运行环境理解为：用户通过OS上层程序，而这个程序依赖OS底层管理程序提供服务支持，当需要管理程序服务时，系统则通过硬件中断机制进入核心态，运行管理程序，也可能是程序运行出现异常情况，被动需要管理程序服务，通过异常处理来进入核心态，管理程序运行结束时，用户程序需要继续运行，此时通过响应的保存的程序现场退出中断处理程序/异常处理程序，返回断点处继续执行。

![在这里插入图片描述][705c61bb9ea741f4a66b0f869ee01a68.png]  
需要注意以下两点：

1.  陷入指令是在用户态执行的，执行陷入指令后立即引发一个内中断，使CPU进入核心态；
2.  发出系统调用请求是在用户态，而 **对系统调用的相应处理是在核心态完成的。**

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# 7 操作系统的体系结构 #

![在这里插入图片描述][00733ebaa8144d89aed169c9558692cc.png]

**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。

*  操作系统内核需要运行在内核态；
 *  操作系统的非内核功能运行在用户态。

而**内核分为大内核和微内核**，具体图示如下：  
![在这里插入图片描述][754ec4b215dd41ecb8397fd6a665d4e2.png]  
**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：内核代码量大，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：内核功能少，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。

**大内核与微内核的区别？**  
![在这里插入图片描述][f9eca539a94a4d27bba0925930a5a262.png]  
如果应用程序想要请求操作系统的服务，这个服务同时涉及到进程管理、存储管理、设备管理。  
如果采用的是大内核的方式，则只需要进行**两次变态**；  
如果采用的是微内核的方式，则需要进行**六次变态。**

需要注意的是，**变态的过程是有成本的，要消耗不少的时间，频繁地变态会降低系统性能。**

变态是为了方便描述，实际表述的时候：**CPU状态的转换**

**分层结构**  
内核分为多层，每层可单向调用更低一层提供的接口。注意，只能调用相邻的，不可以跨层。  
这种分级的思想，便于调试和验证，每层都相对独立，可以逐层调试，更加方便。另外，层与层之间的调用接口固定不变，我们可以在层与层之间新加一层，只需要保证原来定义的接口不变。  
但是，难以定义边界。比如，进程有时候需要使用到内存管理相关的功能，而内存管理有时候也需要使用进程相关的资源。这种分层的模式，导致有一些不灵活。

**模块化**  
模块化是将操作系统按功能划分为若干个具有一定独立性的模块。每个模块具有某方面的管理功能，并规定好各模块间的接口，使各模块之间能通过接口进行通信。还可以进一步将各模块细分为若干个具有一定功能的子模块，同样也规定好各子模块之间的接口。把这种设计方法称为模块-接口法。  
![在这里插入图片描述][dee969ba2b934392a86df6d96e92694e.png]

模块化即将内核划分为多个模块，各个模块之间相互协作。  
内核 = 主模块 + 可加载内核模块  
主模块：只负责核心功能，如进程调度、内存管理等。  
可加载内核模块：可以动态的加载新模块到内核，而无需重新编译整个内核。  
**优点：** 模块间逻辑清晰易于维护，确定模块间接口后即可多模块同时开发。支持动态加载新的内核模块，比如安装驱动程序等，增加了OS的适应性。任何模块都可以直接调用其他模块，无需采用消息传递进行通信，效率高。  
**缺点：** 模块间的接口定义未必合理实用；模块间相互依赖，更难调试和验证。

**外核**  
内核负责进程调度、进程通信等功能，外核负责为用户进程分配未经抽象的硬件资源，且由外核负责保证资源使用安全。  
外核可以直接给用户进程分配“不虚拟、不抽象”的硬件资源，使用户进程可以更灵活的使用硬件资源，减少了硬件资源的“映射层”，提升了效率。  
![在这里插入图片描述][23d26f591a92448b85df653eb6528ae1.png]

**计算机操作系统–体系结构小结**  
![在这里插入图片描述][5c2fd73dc3dd470f87566fc9b08e10bb.png]

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# 8 操作系统的引导 #

**什么是操作系统的引导？**  
简单来说，开机的时候，怎么让操作系统运行起来，就是操作系统的引导。  
解答这个问题前，我们需要知道，**磁盘中存储了什么内容。**

在一块磁盘安装完操作系统后，其分布如下图所示：  
![在这里插入图片描述][719fa26ba12f41abb354072ef86352e6.png]

除了我们能看到的磁盘分区以外，还包含了个主引导记录（MBR），包含了磁盘引导程序和分区表。

**C盘：** 是这个磁盘的活动分区，安装了操作系统。

操作系统要启动的话，操作系统的数据需要被放到主存中。这里需要补充一个知识点：计算机的主存由RAM和ROM两部分组成。而RAM芯片里的数据，只要关机，就会被清空。而ROM里的数据不会因为断点而消失。

而CPU开机通电后，则会找到引导程序，执行该程序里的指令。指示CPU去把磁盘的主引导记录读入到内存。

重点来啦！主引导记录中有磁盘引导程序和分区表。磁盘引导程序会根据分区表去判断C盘所处的位置，读入C盘的PBR引导程序。PBR引导记录里的程序 ，会找到启动管理程序，通常存储在根目录的某个位置。

**操作系统引导的过程：**

1.  CPU从一个特定主存地址开始，取指令，执行ROM中的引导程序（先进行硬件自检，再开机）；
2.  将磁盘的第一块–主引导记录 读入内存，执行硬盘引导程序，扫描分区表；
3.  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；
4.  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。

![在这里插入图片描述][37565c968ac9489a8dd25d5e285ee211.png]

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# 9 虚拟机 #

**传统计算机**  
一台物理机器上只能运行一个操作系统，带来了很多应用上的限制。

**虚拟机**  
使用虚拟化技术，将一台物理机器虚拟化多台机器（Virtual Machine，VM），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/Virtual Machine Monitor/Hypervisor

*  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。

![在这里插入图片描述][158ba7d65c6e467f8ddbc0ae39a556f2.png]

**两类虚拟机管理程序（VMM）的对比**  
![在这里插入图片描述][26afe021048342209702de3082c3f08e.png]

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