操作系统学习笔记——第一章 操作系统概述

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参考书：《操作系统》谌卫军等，清华大学出版社，2012年5月
参考视频：清航全套计算机专业课视频

 

目录

第一章 操作系统概述

1.计算机概述

2.操作系统的概念

3.操作系统的发展历史

4.操作系统的类型

5.操作系统需要的硬件特性

 

 

第一章 操作系统概述（计算机体系结构图、单道批处理、特权指令、程序状态字PSW、栈干嘛用）

1.计算机概述

思考两个问题：1）在一个计算机系统中，包括哪一些硬件设备？

2）如何把这些硬件设备搭建成一个系统，什么结构？

计算机指令：指令是计算机运行的最小的功能单位，是指挥计算机硬件运行的命令。

如：算术运算指令、逻辑运算指令、移位操作指令、数据传送指令、输入输出指令、转移指令等。

指令组成：操作码+操作数1+操作数2……

如：模仿 小鸡

       加      1      3

2.操作系统的概念

为什么计算机种要引入操作系统？

如果程序员直接对硬件编程……

需要了解：键盘的工作原理？如何把键盘缓冲区中的数据拷贝到内存？显示器的工作原理？如何在屏幕的某个特定位置显示某字符？

怎么办？

在硬件和应用软件之间，引入一层软件，其功能为：

1）管理系统的各个部件，使之能正常运转；2）在上层的应用软件提供一个易于理解和编程的接口；

这层软件就是操作系统。

你眼中的OS是什么？

不同人眼中的OS是不同的，

OS设计者：如何管理CPU、内存、I/O设备等系统部件，使之能正常运转；

应用程序开发人员：API应用程序编程接口

3.操作系统的发展历史

Phase 1：1946-50年代 硬件非常昂贵，没有操作系统；

编程语言：机器语言；

输入输出：纸带或卡片；

用户在控制台前调试程序，独占全机。用户既是程序员，又是操作员，手工操作；

一次完成一个功能（计算，I/O，用户思考/反应），之间没有重叠。

问题：手工操作的低效率造成CPU资源的浪费。

Phase 2：50年代末-60年代中，批处理管理程序

（硬件昂贵，人力便宜，为了提高计算机的使用效率，减少手工操作！）

程序员把作业（卡片或磁带）提交给负责调度的程序员（系统管理员）；

操作员把作业“成批”地输入到计算机；

常驻内存的批处理管理程序自动地识别、装入一个作业，并运行之，软后再取下一个作业。

串行地执行作业，因而称为“单道批处理”。

问题：1）程序的调试比较困难；

2）由于慢速的输入输出处理仍然直接由主机来完成，使得CPU和I/O设备使用忙闲不均：对计算为主的作业，外设空闲；对I/O为主的作业，CPU空闲。

60年代初，发展了通道计数和中断技术，这些技术的出现使得I/O访问与CPU计算可以重叠进行。

通道：用于控制I/O设备与内存间的数据传输，有专用的I/O处理器，启动后可独立于CPU运行，实现CPU与I/O的并行工作。

中断：值CPU在收到外部中断信号后，停止原来工作，转去处理该中断事件，在完成后回到原来断点继续工作。

60年代中-70年代中，多道批处理系统

（现代意义上的操作系统的出现）

多道：内存中同时存放多个作业，由CPU以切换方式为之服务。在当前运行的作业需作I/O处理时，CPU转而执行另一个作业；

宏观上并行运行：都处于运行状态，但都未运行完；

微观上串行运行：各作业交替使用CPU和I/O设备

如何构造一个多道批处理系统？

需要解决的问题：1）内存管理，系统必须给多个作业分配内存；

2）内存保护，避免一个程序中的bug造成整个系统崩溃，或者是破坏了其他程序的执行；

3）CPU调度，系统必须在多个作业中不断地进行切换，选择其中的一个去使用CPU；

4）系统必须去管理各个并行运行的作业之间的交互关系。

Phase 3：70年代中-至今，分时系统（多个用户通过各自的终端分享地使用同一台计算机。）

（硬件较以前便宜，人力昂贵）

交互式分时：

-计算机比较贵，只有一台；

-终端比较便宜，人手一台；

-所有用户可与系统立即交互，调试比较方便；

一些分时操作系统

CTSS：由MIT开发；最早的分时系统之一；在调度方面进行了一些开拓性的工作；

MULTICS（MULTiplexed Information and Computing Service）：“公用计算服务系统”

UNIX（UNiplexed Information and Computing Service）：

Phase 4：

（硬件很便宜，人力依然昂贵）

计算机非常便宜，可以人手一台，Apple II、IBM PC等；

1974年Intel推出8080芯片，请Gary Kidall设计了CP/M操作系统——第一个个人计算机操作系统。Gary由此成立Digital Research公司；

1980年，微软——收购了DOS操作系统，创建了MS-DOS；

Phase 5：今天的操作系统

规模庞大：Windows NT是2千万行代码，Windows 2000约4千万行；

极为复杂；

互联时代；

4.操作系统的类型

批处理操作系统（多道批处理）

分时操作系统

实时操作系统

嵌入式操作系统

个人计算机操作系统

分布式操作系统

5.操作系统需要的硬件特性

OS需要的硬件特性：受保护的指令（特权指令）；系统调用；内存保护；中断机制；I/O系统；时钟操作

受保护的指令（特权指令）

有些指令只有操作系统才有权使用，例如：

1）访问某些硬件资源的指令，这些硬件资源禁止用户程序直接访问；

2）对I/O设备的直接访问指令，如磁盘、打印机等；

3）对内存管理状态进行操作的指令（页表指针、刷新TLB等）；

4）某些特殊的状态位的设置指令；

5）停机指令。

如何从硬件上实现OS的这个要求？

根据运行程序对资源和机器指令的使用权限，把处理器设置为不同状态。多数系统将处理器工作状态划分为管态和目态。

管态：操作系统的管理程序运行时的状态，较高的特权级别，又称为特权态、系统态、内核态

处理器处于管态时：可以执行所有的指令（包括特权指令）、使用所有的资源，并具有改变处理器状态的能力。

目态：用户程序运行时的状态，较低的特权级别，又称为普通态（普态）、用户态

在此状态下禁止使用特权指令，不能直接使用系统资源与改变CPU状态，并且只能访问用户程序所在的存储空间。

有些系统将处理器状态划分核心状态，管理状态和用户程序状态（目标状态）三种

实例：x86系列处理器

-386、486、Pentium系列都支持4个处理器特权级别（特权环：R0、R1、R2、R3）

-从R0到R3特权能力依次降低

-R0相当于双状态系统的管态

-R3相当于目态

-R1和R2则介于两者之间，它们能够运行的指令集合具有包含关系

四个级别运行不同类别的程序：

R0-运行操作系统核心代码

R1-运行关键设备驱动程序和I/O处理例程

R2-运行其它受保护共享代码，如语言系统运行环境

R3-运行各种用户程序

现在基于x86处理器的操作系统，多数UNIX、Linux以及Windows系列大都只用了R0和R3两个特权级别。

问题一：CPU怎么来判断当前运行的程序是系统程序还是用户程序呢？

程序状态字PSW——一个专门的寄存器，用来指示处理器的状态，PSW（Program Status Word），通常包括：

1）CPU的工作状态码——指明管态还是目态，用来说明当前在CPU上执行的是操作系统还是一般用户，从而决定其是否可以使用特权指令或拥有其它的特殊权力；

2）条件码——反映指令执行后的结果特征；

3）中断屏蔽码——指出是否允许中断

问题二：状态之间如何转换？

 管态——>目态

 通过设置PSW（修改程序状态字）来实现；

目态——>管态

用户程序无法直接修改程序状态字；

那么用户程序如何才能去做一些带有“特权” 的事情（如I/O）呢？

解决之道是——（系统调用）

系统调用

用户程序通过特殊的防管指令，来请求操作系统为其提供某种功能的服务。系统调用指令的实现过程一般是：

-当CPU执行防管指令时，即引起防管中断；

-处理器保存中断点的程序执行上下文环境（PSW，PC和其他的一些寄存器），CPU切换到管态。

-中断处理程序开始工作，调用相应的系统服务；

-中断处理结束后，恢复被中断程序的上下文环境，CPU恢复为目态，回到中断点继续执行。

内存保护（先不讲）

中断机制（同步中断和异步中断）

I/O系统（先不讲）

时钟操作（先不讲）

 

 

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