1 操作系统基本概念

目录

• 功能定义
• 操作系统拆分
• kernel内部组件
• kernel特征
• 如何学习OS
• 发展
• 结构设计发展
  • 早期
  • 微内核
  • 外核
  • VMM（虚拟机监视器）

清华大学 操作系统课笔记

功能定义

1. 向上管理应用程序，并为应用程序提供服务
2. 向下管理、分配硬件资源

操作系统拆分

1. Linux、Windows等操作系统提供的界面接口（Shell）
2. 操作系统内部kernel

kernel内部组件

1. CPU调度
2. 物理内存管理
3. 虚拟内存管理
4. 文件系统管理
5. 中断和设备驱动

kernel特征

1. 并发：
   一段时间内，系统中同时存在多个运行的程序，需要OS管理和调度
   （并行：一个时间点内，系统中同时运行多个应用程序，需要多CPU支持）
2. 共享：
   • 同时访问
   • 互斥共享
3. 虚拟：
   利用多道程序设计技术，使每个用户都觉得有一个计算机专门为自己服务
   • CPU → 进程
   • 磁盘→文件
   • 内存→地址空间
4. 异步：
   并发的程序不是一贯到底，而是走走停停，但只要运行环境相同，结果也要相同

如何学习OS

• 我听到的我会忘记
• 我看到的我能记住
• 只有我做过的我才能理解

发展

硬件发展和需求变化共同推动OS发展

结构设计发展

早期

1. PC：简单操作系统MS-DOS
   • 单体操作系统
   • 没有模块化、分层设计
   • 没有保护机制，易受攻击、破坏
2. Server：Unix
   • 分层、模块化设计

微内核

1. 内核只放基本功能（如中断处理、消息传递），其他功能（如FS、内存管理）通过外层模块实现。模块间不通过函数调用机制，仅通过消息传递机制通信
2. 降低了模块间的耦合度，灵活、安全
3. 问题：服务模块交互开销较大，性能较差，因此工业界目前较少使用

外核

1. Kernel分成两个ExoKernel（外核）和LibOS（操作系统库）
2. ExoKernel负责管理硬件，向上为LibOS服务。针对不同的应用程序可以设计不同的LibOS（有利于提升效率）
3. 目前停留在学术研究

VMM（虚拟机监视器）

1. 位于操作系统之下
2. 虚拟出多台完整的计算机，虚拟机并不知道自己运行在VMM
3. 目的：充分利用富余的计算机资源