操作系统 -> 1

好久之前看的b站课 有点搞不下去 不过还是要坚持 ... 图片后续传一下

操作系统的定义

是计算机硬件和应用之间的一层软件

是管理硬件的软件系统

• 方便我们使用硬件、如何使用显存
• 高效的使用硬件，如开多个终端

操作系统管理的硬件

1. CPU管理
2. 内存管理
3. 终端管理
4. 磁盘管理
5. 文件管理
6. 网络管理
7. 电源管理
8. 多核管理

学习操作系统的层次

1. 从应用软件出发"探到操作系统"
   • 集中在使用计算机的接口上
   • 使用显示器、CPU、文件
2. 从应用软件出发"进入操作系统"
   • 一段文字是如何写到磁盘上的
3. 从硬件出发"设计并实现操作系统"
   • 给你一个板子，配一个操作系统

计算机怎么工作的

1. 从白纸到图灵机
   • 就是一个计算模型
2. 同图灵机到通用图灵机
   • 设置控制器动作就是设置处理数据的逻辑 ---> 程序
     • 把程序载进来 解释执行这个程序 出相应的结果 ---> 冯诺依曼存储程序思想
     • 把程序载入到存储器(内存)里，用一个PC(IP指令)指针指向当前处理的指令，把指令载入进来，就完成了控制逻辑。然后控制器解释执行。
     • 取指执行

打开电源，计算机执行的第一句指令是什么

PC=？

PC: 存放当前欲执行指令的地址

操作系统启动

jmpi 0,8

0->ip 8->cs

16位和32位区别的本质是什么？

• CPU中的解释程序不一样

怎么切换到另外一条指令

cr0一个非常酷的寄存器

• 如果寄存器的最后一位是0 — 16位模式(实模式)
• 如果寄存器的最后一位是1 — 32位模式(保护模式)
  • 导致CPU要走另外一条解释执行的电路

gdt

Global describe table 全局描述符表

保护模式下的地址翻译和中断处理

是由硬件结构帮做的 目的： 快

(x86)

• 在16位的时候 cs放的就是地址 左移四位也是地址
• 但是在32位的时候 cs放的就是选择子 selector 查表的下标 并且偏移8位
• 真正的基址是放在表项中 所以是选择子 从表中取得基址的项(表中必须有内容) 再和ip偏移产生32位的地址
• gdt t-> table
• 为了表中必须有内容 所以setup做了一件事

system模块

System模块(目标代码)中的第一部分是什么呢？(0地址处)

如果想要整个系统好使

• 必须第一段是bootsect

• 因为bios只会从0磁到0扇区开始读 如果不是则整个系统就乱套了

• 第二段是setup

  • bootsect是直接从第二个扇区往后读 想读出来的是setup 所以操作系统第二个部分必须是setup

• 第三段是system

  • bootsect把后面的内容读进来(第三段开始) setup跳到后面的第一个部分
  • 这一系列才会顺利有序的执行 只要中途一点出错 就会死机

• 以上称为image 操作系统的镜像

  • 有一堆源码 源码通过Makefile产生了一个操作系统的镜像(必须要长成上面的样子)
  • 可以将image放到0磁到0扇区 这个是可以通过指令和工具控制的 (并且可以写到磁盘的任意位置)
  • 在利用image进行开机引导的时候 就会出现上面的样子
  • 操作系统顺理成章的被读了进来、被立了起来，被初始化 然后会产生一个桌面 shell
  • head.s是system模块中的第一个文件(汇编文件)
    • 有一次初始化了idt、gdt表
  • 下面是main.c c函数文件 永远不会返回的函数 一旦返回 则死机
    • 一系列初始化的操作
    • mem_init
      • 执行内存的初始化

  Makefile是一种树状结构

操作系统接口

接口 Interface

连接两个东西、信号转换、屏蔽细节

用户如何执行计算机

1.命令行

• 命令程序

2.图形按钮

• 消息框架程序+消息处理程序 (循环调用消息处理函数)

3.应用程序

实际上都是程序

上层应用通过一些c语言加上一些关键的、重要的函数来使用底层硬件。

而这些重要的、关键的函数就是接口。

接口表现为函数调用，又由系统调用，所以称为系统调用。

系统调用

POSIX : Portable Opreating System Interface of Unix (统一接口)

• 任务管理
  • fork 创建一个进程
  • execl 运行一个可执行程序
  • pthread_create 创建一个线程
• 文件系统
  • open 打开一个文件或目录
  • EACCES 返回值 表示没有权限
  • mode_t st_mode 文件头结构 文件属性

系统调用的实现

什么是系统调用？

由操作系统提供的函数调用 是操作系统给上层应用提供的接口

上层应用程序通过调用这些函数来进入操作系统 使用操作系统的功能

类似插座 插上就可以使用 但是插座后面的电路是怎么连接的 这就需要好好去学习

系统调用的直观实现

问题：操作系统也在内存中 应用程序也在内存中 应用程序想访问操作系统提供的功能 为什么不能直接跳进去(move)访问

不能随意的调用数据 不能随意的jmp

可以看到root密码 可以修改它 没有安全性

可以通过显存、缓冲区看到别人word里的内容

内核(用户)态、内核(用户)段

将内核程序和用户程序隔离

• 区分内核态和用户态：一种处理器"硬件设计"

计算机对内存的使用都是一段一段的使用

内核段的内存执行在内核态下 用户态的程序不能跳过内核段

内核态可以访问任何数据，用户态不能访问内核数据。

两个段寄存器：DPL ≥ CPL

DPL ：描述目标内存段 (内核段)

• (destination/describe Privilege Level) 目标特权级
• 0是内核态 3是用户态 1 2是OS服务
• 特权级：数字越大越低
• 所以在每次访问的时候都要看看所访问的(move)特权级和当前的特权级比较如何
• 所以按照表达式 CPL的数字应该小一些 对应的特权级就应该更大
• 如果CPL = 3 则只能访问DPL = 3的 如果DPL = 0 则不能访问
• 这条指令由硬件检查 是否合法 是否满足特权级要求 如果不符合 则进不去

CPL:

• current privilege Level 当前特权级

硬件也提供了"主动进入内核的方法"

终断指令int

• int指令将使cs中的CPL改成0 "进入内核"
• 这是用户程序发起的调用内核代码的唯一方式

系统调用的核心

1. 用户程序中包含一段包含int指令的代码
   • 代码就是c语言的库函数
     • 表面上看只有一个open函数 但背后发生了很多工作
   • 不是所有的中断都能进入内核 只有设计的中断才能进入内核
2. 操作系统写中断处理 获取想调用程序的编号
   • 例如 根据open函数中的中断指令 来跳去相应地方执行
3. 操作系统根据编号执行相应代码

只有唯一的一个中断 int 0x80 指令 可以进入

操作系统的历史

批处理操作系统：

Batch system

如果有很多计算任务需要计算机来完成

计算机首先完成第一个任务，不管完成还是出错，到了中途是不会停下来的。

马上就开始执行第二个任务。是一直执行下去的。

实际上就是一个监控程序。只要发现了第一个任务出错或者完成，马上修改PC指针执行第二个任务。以此类推。(会把出错的任务错误信息写到磁带上，分析，分析之后再写一个任务放到后面，批处理再进行执行。)

多道程序

multiprogramming

如果一台计算机要干很多事，那么仍然采用批处理操作系统就不合适了。

因为一旦开始处理第一个任务，那么就必须等待第一个任务执行完才可以进行下一个任务。如果跳到第二个任务就没有办法再回到第一个任务。所以第二个任务就要一直等着。

如果第一个任务是一个IO任务，有写磁带的操作，那么写磁带的执行是非常慢的。中途时间非常长。

等待时间过长，对于一个计算机来说，是非常不合适的。

所以相对于等待，来回切换执行程序就更好一些。所以就出现了一种结构：

多道程序处理结构。

多个任务同时出现在计算机中 多道程序同时执行、交替执行、向前推进

这样就出现了作业之间的交替、切换、调度。

多进程结构和进程管理概念萌芽

分时系统

timesharing

计算机进入多个行业，使用人数增加，每个人都要启动一个任务，那么如果按照批处理的话，如果第一个任务一直没有出错一直运行，那么第二个人就等太久了。

所以出现了分时系统：

第一个任务执行一会，就切出去给第二个任务再执行一会，以此类推。再反过来执行第一个。

这样每个人的任务就一段一段向前推进。

这个系统本质上和多任务处理没有什么区别。

唯一的区别就是多任务是启动IO CPU没法执行的时候才切换。

分时系统是定时的切换

Unix

Ken Thompson 、 Dennis Ritchi

Linux

Linus Torvalds

DOS

CP/M -> QDOS -> MS DOS -> Windows -> Unix -> Syetem -> Mac OS -> ios

核心思想仍然是程序执行、多进程、程序执行带动其他设备执行使用的基本结构

但是用户使用的感觉倍加重视了：各种文件、编程环境、图形界面

CPU管理

操作系统的核心就是管理计算机硬件：

CPU、内存...

CPU是计算机内最核心的硬件

在管理CPU的时候引出了多进程图像

CPU工作原理