操作系统『1』概述

文章目录

• • 一、预备知识
  • 二、什么是操作系统
  • 三、操作系统软件的分类
  • 四、Kernel
  • 五、操作系统历史
  • 六、操作系统结构

一、预备知识

• 预备知识
• 计算机结构原理（Intel 80386+）
• 数据结构
• C和汇编语言

二、什么是操作系统

• 什么是操作系统

• 在用户的角度，操作系统是一个 控制软件 ：
        用于管理应用程序：控制这些应用程序如何运行；并限制不同的应用程序占用不同的资源；为应用程序提供服务（如IO、访问服务）；

• 在管理者的角度，为应用程序、底层硬件提供相应的管理、控制 和 服务功能。

• 在计算机内部的角度，操作系统是 资源管理器。 操作系统把 CPU 、 磁盘 和 内存 这三部分物理资源，分别 抽象成 进程、文件 和 地址空间，给应用程序使用。
  【操作系统代码必须是高效的，低耗 CPU、磁盘、内存。】
     

  ---

     操作系统需要权衡：
  （1）空间与时间
  （2）性能和可预测性
  （3）公平和性能

  三、操作系统软件的分类

  • 操作系统软件的分类
    Shell (外壳)：命令行接口
    GUI（图形用户界面）
    Kernel（操作系统内部）：内核 ，是我们研究的重点。
       

  四、Kernel

  （1） Kernel 组件包括：

  • CPU调度源
  • 物理内存管理‘
  • 虚拟内存管理
  • 文件系统管理
  • 中断处理 、IO 与设备驱动 （和硬件（重要的硬件：CPU、内存、硬盘）直接打交道，是需要了解和掌握的）
       

  （2） OS Kernel 的特征：

  • 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。
  • 共享
       “同时”访问（因为内存块之间相互是隔离的） 或者是 互斥共享、分时访问，是由具体资源的特征决定。
  • 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是相同的。

  五、操作系统历史

  • 单用户系统
  • 批处理系统（体现了并发的特征）
  • 多道程序系统（保持多个工作在内存中并且在各工作间复用CPU）
  • 分时（现在计算机的时间片是千分之一秒，时钟这个外设会定期产生中断，把控制权交给操作系统，让操作系统完成中断。）
  • 个人计算机：每个用户一个系统
  • 分布式计算：每个用户多个系统（通过 络实现松耦合。）
       

  （安卓用的是 Linux 内核。）

  六、操作系统结构

     “单体”，比如之后实验会用到 UCore，意味着，它的各个模块之间，是通过函数调用来实现访问的。【紧耦合】
  （1）微内核架构
     希望不是上述的紧耦合的方式，而是松耦合的方式，更方便扩展，基于这样的思想——微内核架构：在操作系统的内核中，只放最基本的功能 （比如中断处理、消息传递； 而文件系统、内存管理、 络协议栈都是放在外围，以 服务 的形式存在，而服务与服务之间是通过内核的消息传递机制进行通信，这样的话就是松耦合啦。因为地址隔离，所以相互之间无法恶意破坏对方的空间。酱紫就灵活而安全，不过性能会有所下降，毕竟数据倒腾来倒腾去的。） 尽可能把内核功能移到用户空间。
  （2）外核结构
     还有另一种更加极端的架构——“外核”，希望内核分成两部分，一部分和硬件打交道，另一部分和具体应用打交道。
  （3）虚拟机管理器 VMM
     在一台物理计算机上虚拟出多台计算机系统，给上层的操作系统使用。
     虚拟机管理器将单独的机器接口转换成很多的虚拟机，每个虚拟机都是一个原始计算机系统的有效副本, 并能完成所有的处理器指令。
     相当于有隔离，操作系统下是VMM，VMM 之下才是硬件。
  

• 管道：LInux的强大之处在于它能把几个简单的命令联合成为复杂的功能，通过键盘上的管道符 “|” 完成。如以下语句的作用就是 搜索 0917.text（前提是已经有这个文件了）中的命令，将输出分类 并 写入分类文件 到 result.text。（因为没啥排序的，所以 result.text 是空白的。）

-i：忽略大小写的不同。


• less 与 more 类似，但使用 less 可以随意浏览文件，而 more 仅能向前移动，却不能向后移动，而且 less 在查看之前不会加载整个文件。

• gcc
     gcc 是由 GNU 推出的一款功能强大的、性能优越的多平台编译器。
     Gcc编译器能将C、C++语言源程序、汇程式化序和目标程序编译、连接成可执行文件，如果没有给出可执行文件的名字，gcc将生成一个名为a.out的文件。
  写个最简单的C代码：
  

  • AT&T汇编基本语法
       Ucore 中用到的是 AT&T 格式的汇编，与 Intel 格式的汇编有一些不同。二者语法上主要有以下几个不同：
    （1）寄存器命名原则
    AT&T: %eax
    Intel: eax
    （2）源/目的操作数顺序
    AT&T: movl %eax, %ebx
    Intel: mov ebx, eax
    （3）常数/立即数的格式　
    AT&T: movl $_value, %ebx
    Intel: mov eax, _value
    （4）把 value 的地址放入eax寄存器
    AT&T: movl KaTeX parse error: Expected ‘EOF’, got ‘&’ at position 60: … （5）操作数长度标识 AT&: movw %ax, %b…是表示地址引用，不加是表示值引用。对于局部变量，可以通过堆栈指针引用。
    （2）寄存器间接寻址
    AT&T: (%eax) Intel: [eax]
    （3）变址寻址
    AT&T: _variable(%eax) Intel: [eax + _variable]
    AT&T: _array( ,%eax, 4) Intel: [eax × 4 + _array]
    AT&T: _array(%ebx, %eax,8)

  gdb 调试实例：
      先写一个有错误的例子：
  

  （2）执行装入的 bugging 命令；

  （3）使用 where 命令查看程序出错的地方；

  （4）利用 list 命令查看调用 gets 函数附近的代码；

  （5） 在 gdb 中，我们在第 11 行处设置断点，看看是否是在第11行出错；

  （6）程序重新运行到第 11 行处停止，这时程序正常，然后执行单步命令next；

  （7） 程序确实出错，能够导致 gets 函数出错的因素就是变量 string。重新执行测试程序，用 print 命令查看 string 的值；

  就会看到：(gdb) $1=0x0
  截图如下：
  

  
  • BIOS 【Basic Input Output System，即基本输入/输出系统】启动过程
        当计算机加电后，一般不直接执行操作系统，而是执行 系统初始化软件 ，完成基本 IO 初始化 和 引导加载功能。简单地说，系统初始化软件就是在操作系统内核运行之前运行的一段小软件。通过这段小软件，我们可以初始化硬件设备、建立系统的内存空间映射图，从而将系统的软硬件环境带到一个合适的状态，以便为最终调用操作系统内核准备好正确的环境。最终引导加载程序把操作系统内核映像加载到 RAM 中，并将系统控制权传递给它。
        对于绝大多数计算机系统而言，操作系统和应用软件是存放在磁盘（硬盘/软盘）、光盘、EPROM、ROM、Flash等可在掉电后继续保存数据的存储介质上。计算机启动后，CPU一开始会到一个特定的地址开始执行指令，这个特定的地址存放了系统初始化软件，负责完成计算机基本的 IO初始化，这是系统加电后运行的第一段软件代码。对于Intel 80386的体系结构而言，PC机中的系统初始化软件由 BIOS (其本质是一个固化在主板 Flash/CMOS 上的软件)和位于软盘/硬盘引导扇区中的 OS Boot Loader（在 ucore 中的 bootasm.S 和 bootmain.c）一起组成。BIOS实际上是被固化在计算机ROM（只读存储器）芯片上的一个特殊的软件，为上层软件提供最底层的、最直接的硬件控制与支持。 更形象地说，BIOS 就是 PC 计算机硬件与上层软件程序之间的一个”桥梁”，负责访问和控制硬件。
        以 Intel 80386 为例，计算机加电后，CPU 从物理地址0xFFFFFFF0（由初始化的CS：EIP 确定，此时 CS 和 IP 的值分别是 0xF000 和 0xFFF0 ) 开始执行。在 0xFFFFFFF0 这里只是存放了一条跳转指令，通过跳转指令跳到BIOS例行程序起始点。BIOS 做完计算机硬件自检和初始化后，会选择一个启动设备（例如软盘、硬盘、光盘等），并且读取该设备的第一扇区(即主引导扇区或启动扇区)到内存一个特定的地址0x7c00处，然后CPU控制权会转移到那个地址继续执行。至此BIOS的初始化工作做完了，进一步的工作交给了 ucore 的 bootloader。
        
  • bootloader启动过程
        BIOS 将通过读取硬盘主引导扇区到内存，并转跳到对应内存中的位置执行 bootloader。bootloader完成的工作包括：
    （1）切换到保护模式，启用分段机制
    （2）读磁盘中ELF执行文件格式的ucore操作系统到内存
    （3）显示字符串信息
    （4）把控制权交给ucore操作系统
        
  • 操作系统启动过程
        当 bootloader 通过读取硬盘扇区把 ucore 在系统加载到内存后，就转跳到 ucore 操作系统在内存中的入口位置（kern/init.c中的kern_init函数的起始地址），这样 ucore 就接管了整个控制权。当前的ucore功能很简单，只完成基本的内存管理和外设中断管理。ucore主要完成的工作包括：
    初始化终端；显示字符串；显示堆栈中的多层函数调用关系；切换到保护模式，启用分段机制；初始化中断控制器，设置中断描述符表，初始化时钟中断，使能整个系统的中断机制；
    执行while（1）死循环。

  每日一问：
  问：
      操作系统中的“管道”是什么 意思
  ：
      管道是单向的、先进先出的、无结构的、固定大小的字节流，它把一个进程的标准输出和另一个进程的标准输入连接在一起。写进程在管道的尾端写入数据，读进程在管道的首端读出数据。数据读出后将从管道中移走，其它读进程都不能再读到这些数据。
      管道提供了简单的流控制机制，进程试图读空管道时，在有数据写入管道前，进程将一直阻塞。同样地，管道已经满时，进程再试图写管道，在其它进程从管道中移走数据之前，写进程将一直阻塞。

  声明：本站部分文章及图片源自用户投稿，如本站任何资料有侵权请您尽早请联系jinwei@zod.com.cn进行处理,非常感谢！