期末复习——操作系统概述 chapter(0+1)

Posted 2023-02-15 sectumsempra

MEMO

1. OS：管理计算机硬件的软件；为应用程序提供基础；充当计算机硬件与用户之间的媒介。存于磁盘。
   一个一直运行在计算机上的程序(也叫kernel内核)；
2. 计算机系统 可以粗分为：硬件、OS、应用程序、用户；
   or 硬件、软件、数据。
3. 计算机逻辑层次：应用程序-->系统程序-->OS-->硬件
4. 程序：OS(kernel内核)、系统程序(不是内核一部分)、应用程序；
5. 多核单CPU：一般情况，多核间通信共享内存。
   多个单核CPU：每个CPU较为独立。
6. L1高速缓存：内置于CPU
7. 系统程序：也叫系统工具，处于应用程序与OS交界层。
   种类1. 文件管理 2. 状态信息(时间、内存、磁盘空间……) 3. 文件修改 4. 程序语言支持 5. 程序加载执行 6. 通信 7. 后台服务

OS 功能

• 用户视角：便于使用、资源管理
• 系统视角：资源分配器；控制程序(管理用户程序执行)
  多道程序设计：通过合理安排使得CPU总有一个执行任务，提高CPU利用率。

因为要实现多道程序设计，OS在内存中要同时保存多个任务-->作业池 job pool

• 虚拟内存优点：用户可以执行内存大于物理内存的程序。

1. 提供用户功能
   1. 用户界面：CLI命令行界面 or 批处理界面 e.g.GUI图形用户界面
   2. 程序执行：程序加载到内存中运行
   3. I/O操作
   4. 文件系统操作
   5. 通信：进程间(共享内存、消息传递)、网络连接的不同计算机之间
   6. 错误检验
2. 确保系统本身高效
   1. 资源分配：CPU周期、I/O设备……
   2. 记账：记录用户使用资源的类型和数量
   3. 保护与安全

OS执行

现代OS是中断驱动的，陷阱(异常)是软件生成中断(可能因为一些/0错误、用户特定请求)

• 用户模式
• 内核模式：遇到陷阱or中断

中断and陷阱(异常)

• 中断(外中断)：CPU指令外部事件，e.g.I/O完成、时间片到期
• 陷阱/异常(内中断)：CPU指令内部事件，e.g.程序非法操作、地址越界、运算溢出、虚拟内存缺页……

系统调用

系统调用提供OS服务接口，与kernel直接相关，仅在kernel态运行。。通过中断-->向内核请求-->获取内核服务。通常用C/C++/汇编语言编写(fast)。
而API是应用编程接口，一系列定义好的函数e.g.printf()、read(),提高程序可移植性。

类型	Windows	UNIX
进程控制	CreateProcess()	fork()
	CreateProcess()	fork()
	WaitForSingleObject()	wait()
文件管理	CreateFile()	open()
	ReadFile()	read()
	WriteFile()	write()
	CloseHandle()	close()
设备管理	-	-
信息维护	-	-
通信	CreatePipe()	pipe()
	CreateFileMapping()	shm_open()
	MapViewOfFile()	mmap()

向OS传递参数

1. 利用register寄存器
2. 存在块or表中，寄存器存储 块or表 的地址
3. 压用堆栈，利用OS弹出

内核存储结构

• 链表、堆栈、队列
• 树(红黑树)
• 哈希函数、哈希表
• 位图：第i位与第i个资源有关。

计算机系统组成

存储结构

• 内存：(主存)CPU能访问的存储空间，易失性，断电后数据消失。ROM、DRAM、RAM、
• 外存：(辅存)断电后仍然可以保存数据，磁盘、硬盘、固态磁盘(快于磁盘)

寄存器-->高速缓存L1、L2……-->主存-->固态存储-->硬盘、、、

I/O结构

• 当程序要从硬盘读取一个文件时，先检查内存中是否有数据。若没有数据，则执行实际I/O。I/O操作执行时，用户线程将阻塞等待数据从硬盘写到内存中。对于用户来说线程是被阻塞的。
  • 不中断：CPU忙等，不断轮询访问是否结束I/O，浪费CPU
  • 有中断：CPU调度其他线程，I/O执行完之后，原线程发中断信号通知CPU，然后恢复进程(or线程)上下文信息。

计算机体系结构

• 单处理器系统：系统只有1个通用CPU
• 多处理器系统
• 集群系统

多处理器系统

也叫并行系统、多核系统。

• 优点

  1. 增加吞吐量：短期内完成更多工作
  2. 规模经济：共享数据等待
  3. 增加可靠性：如果某个核故障，可顶替

• 非对称处理系统（主从系统）：高可靠性(从处理器向主处理器要任务or做预先规定任务)

• 对称处理系统SMP：现代大多OS支持，每个处理器都参与。高效

集群系统

≥2个独立系统组成，每个系统可单可多组合。松耦合。

• 对称集群：都运行程序，互相监督
  复杂的应用调试
• 非对称集群：一台跑程序、一台热备份(监视活动服务器)
  缺点：一台过度利用，一台没充分利用

提供高可用性服务，相比单核、SMP有更强大的计算能力-->并行计算

OS设计

用户目标and系统目标

策略与机制分离

• 策略policy：what to do
• 机制mechanism：how to do，实现

这样“实现”对功能不敏感更加可取，避免每次策略policy的改变要重定义很多很多东西。(这个好理解，和各种分层、函数道理一样)

OS常见结构

简单结构

MS-DOS：没有很好区分功能的接口and层次。
早期UNIX：两部分：内核+系统程序。发展成单片结构(UNIX、Linux、Windows仍采用简单单片结构)

分层方法

自顶向下，简化构造和调试。向上隐藏具体实现。
难点：合理定义各层、效率较差。

模块化 可加载的内核模块

现代UNIX(Solaris、Linux、Mac OS)和 Windows实现

• 核心：内核提供核心服务，其他服务在内核运行时动态实现。

微内核

Mach OS。消息传递通信模型、中断陷阱处理，都在内核内完成，大多数服务作为用户进程运行（e.g.文件服务），而不是内核进程。so一个服务出错不会影响OS其他部分。
优点：灵活利于拓展。可移植性强。安全。
采用机制、策略分离

宏内核

单内核/大内核。目前主流操作系统基于宏内核架构

混合系统

Mac OS X 和 两个移动操作系统：iOS、Android(有Dalvik虚拟机)

OS调试

故障分析

• 进程故障-->写到日志文件，OS也进行核心转储 core dump，捕获进程内存，保存到另一文件以便以后分析。
• 内核故障called崩溃 crash-->错误信息保存到日志文件，内存状态保存到崩溃转储 crash dump

OS生成

SYSGEN程序，获取硬件配置

系统引导

生成OS后，硬件需要知道内核在哪。--> 引导程序汇编语言编写，存放于固件，“固化的软件”，不是外存！！OS存放于磁盘，e.g.只读内存ROM。
引导程序定位内核，加载到内核执行。e.g.GRUB引导Linux系统。

• 开机/重启时运行，初始化各组件，定位OS，加载到内存。