操作系统概述

一、什么是操作系统

1.1 定义  

用户角度上（对上）：为应用程序提供服务，是一个控制程序，能够管理应用程序，如：限制不同应用占用不同资源；为应用程序提供不同服务，如：IO服务、声卡网卡服务；

内部程序角度（对下）：资源管理，管理外设、分配资源

1.2 功能

操作系统将CPU<——>进程，磁盘<——>文件，内存<——>地址空间，通过这种抽象（虚拟化）来给应用程序使用。

1.3 层次

操作系统为系统软件，直接面向硬件，给上面的程序提供服务接口。因此它的架层次结构在硬件之上，应用程序之下。

1.4 组成

操作系统层次的软件有两层，一层面向应用程序，称作Shell（外壳），另一层面向计算机内部资源，成为Kernel（内核），在Shell之下。Kernel — 操作系统内部组件包括，CPU调度器、物理内存管理、虚拟机内存管理、文件系统管理、中断处理和设备驱动

1.5 OS Kernel特征

并发：计算机系统中同时存在多个运行的程序，需要OS管理和调度

     并发：在一段时间内有多个程序可以运行

     并行：在一个时间点上有多个程序可以运行

共享：“同时”访问，互斥共享

虚拟：利用多道程序设计技术，让每个用户都觉得有一个计算机专门为他服务

异步：程序的执行不是一贯到底，而是走走停停，向前推进的速度不可预知，但只要运行环境相同，OS需要保证程序运行的结果也要想同

二、操作系统的启动

2.1 启动涉及的基本程序

BIOS，在一块只读的内存，具有基本输入输出的程序、系统设置信息、开机自检程序、系统自启动程序等，主要功能是在计算机接通电源之后，能够让计算机系统能够开始检测各种外设；

Bootloader：加载OS，能够让OS从硬盘加载到内存中去，让CPU执行操作系统，一般在硬盘中第一个扇区，大小为512字节。

2.2 启动过程

电源启动 ——>CPU从固定地址开始执行BIOS(自检，若外设均能正常执行，就将BootLoader从硬盘的引导扇区加载到内存地址为0x7c00)——>跳转到BootLoader地址开始执(将OS代码和数据从硬盘中读到内存中)——>跳转到操作系统的起始地址(计算机管理就交给操作系统了)

2.2.1 CPU初始化

CPU加电稳定后从0XFFFF0读第一条指令；

CPU初状态是16位实模式；

注：0XFFFF0计算方式：CS：IP是16位寄存器，最大地址空间是1MB，此时地址计算是PC = 16*CS+IP，即CS左移四位，加上当前指令指针，此时最大地址空间是 1MB(2^20)。CS(代码段寄存器) ：IP(指令指针寄存器)=0Xf000：fff0；第一条指令是跳转指令，跳转到BIOS执行

2.2.2 BIOS执行过程

BIOS初始化硬件——>(主引导扇区)BIOS读取主引导扇区代码(主引导记录：一台计算机，这里一个磁盘或硬盘会进行分区，而不同的区可能装不同操作系统。因此在这里加上主引导记录，这个记录的作用是表示要从哪个文件系统去读加载程序)——>(活动分区)主引导扇区代码读取活动分区的引导扇区代码(通过主引导记录进入分区后，分区中又有一个引导扇区，执行这个引导扇区的代码)——>(加载程序)通过引导扇区代码读取文件系统的加载程序

BIOS初始化：

硬件自检POST；

检测系统中内存和显卡等关键部件的存在和工作状态；

查找并执行显卡等接口卡的BIOS，进行设备初始化；

执行系统BIOS，进行系统检测；

更新CMOS中的扩展系统配置数据ESCD；

按指定启动顺序从软盘、硬盘或光驱启动；

主引导记录MBR格式：

启动代码(446字节)：检查分区表正确性；加载并跳转到磁盘上的引导程序

硬盘分区表(64字节)：描述分区状态和位置；每个分区描述信息占据16字节

结束标志字(2字节)：55AA，主引导记录的有效标志；

分区引导扇区格式：

跳转指令：跳转到启动代码

文件卷头：文件系统描述信息

启动代码：跳转到加载程序(这段代码在硬盘上的，可改的，因此可以将OS数据放在任何扇区)

结束标志：55AA

2.2.3 加载程序BootLoader

从文件系统中读取启动配置信息(加载程序)——>可选的操作系统内核列表和加载参数(启动菜单)——>依据配置加载指定内核并跳转到内核执行(操作系统内核)

2.3 系统启动规范

BIOS规范：固化到计算机主板上的程序；包括系统设置、自检程序和系统自启动程序；BIOS-MBR、BIOS-CPT(全局唯一标识分区表)BIOS硬盘分区表只有64字节只能描述4个分区，而通过全局分区表就能描述更多的分区、PXE(网络启动标准)

UEFI规范：接口标准；在所有平台上一直的操作系统启动服务

问题：这里为什么BIOS不直接将操作系统内核读入内存，而是将加载器读入内存？

首先磁盘上有文件系统，文件系统是多种多样的。在机器出厂时，不能限制磁盘去只用某种文件系统，而BIOS不可能去识别支持所有文件系统程序。因此为了灵活性，就通过加载程序读OS。

三、中断、异常和系统调用

3.1 操作系统如何与设备和程序交互

其主要与操作系统的interface设计有关，面对外设，通过中断和IO进行处理；面对应用程序，通过系统调用，异常提供相应功能。

系统调用(来源于应用程序)：应用程序主动向操作系统发出服务请求。需要操作系统提供服务支持；

异常(来源于不良的应用程序)：非法指令或者其他坏的处理状况；

中断(来源于外设)：来自不同的硬件设备的计时器和网络的中断；

3.2 设计原因

计算机系统启动后，会加载操作系统内核，操作系统内核是可以被信任的第三方；

只有内核可以执行特权指令；

方便应用程序；

3.3 中断、异常和系统调用解决的问题

中断：当通过外设输入指令时，系统可能正在进行其他操作，没办法进行相应。所以提供中断机制，当外设与系统有交互的时候，系统会通过此机制处理

异常：当程序(意外)出错时，将错误交给操作系统处理

系统调用：通过系统调用为用户提供相应接口，同时这些接口不会影响系统安全

内核的进入与退出：

3.4 响应方式

中断：异步

异常：同步（产生异常，处理异常）

系统调用：异步或同步（应用程序发出系统调用请求，如果程序一直等待内核反馈处理结果，就是同步；如果程序不等待结果去接着执行其他事，等内核返回结果后再回来获取结果，就是异步）

3.5 处理机制

中断：持续，对用户程序是透明的

异常：杀死或者重新执行意想不到的应用程序指令

系统调用：等待或持续

3.6 中断和异常处理机制(硬件和软件相结合)

当某个外设事件产生一个中断或内部事件产生一个异常，这时要知道是由哪个服务例程去处理这个中断或异常。它是通过中断向量表查询的(中断向量表是entry结构，一侧是中断号，异常号，不同事件编号不同，这些编号对应不同地址，这些地址就是处理中断或异常的服务例程的起始地址)

中断目的： 中断是为了打断CPU目前正在执行的程序，转而处理其他更紧急的程序。因此它有一个保护-恢复机制。

3.6.1 硬件处理

在CPU初始化时设置中断使能标志(在CPU未准备好之前，无法处理硬件设备的交互信息，所以需要设置CPU使能标志，表示CPU是否准备好);

依据内部或外部事件设置中断标志(外部设备或内部事件向CPU发出中断信号，CPU对事件标识，表示产生了异常或中断，由这个信号得到异常号或中断号);

依据中断向量调用相应中断服务例程 或异常处理例程;

3.6.2 软件处理

中断_软件处理:

保存当前处理状态；

执行中断服务例程处理；

清除中断标记(服务例程)；

恢复之前保存的处理状态；

（由于保护-恢复机制，因此用户感受不到中断的产生）

异常_软件处理：

保存现场；

异常处理；

1、处理程序是杀死产生了异常的程序，退出执行

2、异常产生的原因操作系统可以弥补(如资源不够)，处理程序是让操作系统进行弥补工作，然后恢复现场，这时就已经没有异常了

恢复现场；

3.7 系统调用

应用程序需要操作系统提供服务，这些服务，不能由程序直接执行，必须要操作系统执行，这时就需要操作系统提供相应接口，这些接口就是系统调用接口

用户态和内核态：它表示程序执行过程中，CPU所处于的一种状态。用户态特权级低，CPU不能直接访问某些特殊的机器指令和IO；内核态表示操作系统运行过程中，CPU处于的状态，此时CPU能访问任何一条指令。一个应用程序执行，会经过从用户态到内核态的反复转换。

3.8 系统调用和函数调用的区别

当应用程序发起函数调用的时候，其实是在一个栈空间完成了函数参数的传递和参数返回；但系统调用执行过程中，应用程序和操作系统内核实际拥有各自的堆栈。即当应用发出系统调用之后，切换到内核态执行，实际上是切换到操作系统的堆栈，同时也切换了特权级。这种切换需要一定开销，所以系统调用开销比函数调用大。

3.9操作系统带来的开销

操作系统通过中断、异常和系统调用，和应用程序以及外设进行交互，这种交互过程实际跨越了操作系统和外设，操作系统和应用程序的边界。这种跨越是有代价的，

在执行时间上的开销超过程序调用。其开销：

1、建立中断、异常、系统调用号与对应服务例程映射关系的初始化开销

2、建立内核堆栈

3、操作系统是不信任应用程序的，因此会对参数进行校验

4、内核态切换到用户态实际是内存的拷贝，会有开销。内核态映射到用户态的地址空间，更新页面映射权限

5、内核态独立地址空间

6、每次退出内核态，都会对当前状态进行保存，再次进入时又需要恢复