操作系统结构

一、操作系统做什么？

1.操作系统定义

A program that acts as an intermediary between a user
and the comupter hardware.
计算机硬件和用户（人和程序）之间的一个中介

2.操作系统目标

• 使用户方便使用计算机
• 是计算机硬件高效率运行

二、硬件系统组成

• cpu(s) + 设备控制器 通过总线（控制（用来通信的，一些状态）、数据和地址三个内部总线和外部总线）连接在一起，它们共享内存

• 这些cpus和设备并行执行，并且竞争使用内存。

  
  

三、4个层次

操作系统把硬件包起来了，所有的对硬件的操作必须经过操作系统。

• 用户
• 应用程序
• 操作系统
• 硬件

四、现代操作系统的特征

1.多程序 Mutiprogramming

这是为了提高CPU的使用效率。

一个简单的例子
如果系统上只能有一个用户。一个用户程序的操作需要CPU执行它的指令，还需要I/O来作它的输入输出。只有CPU指令，没有I/O，这有什么意义hhh，而只有I/O没有CPU更不可能，因为I/O就是CPU控制的。所以有一个很明显的问题就是CPU执行指令时候，I/O就停了，而I/O时候，CPU又停了不执行指令了。
为了解决这种低效问题，一个基本想法就是，可不可以在系统里面装两个程序，当一个在I/O时候，它没有使用CPU，能不能启动另一个程序让它使用CPU？这样不就是让CPU使用率提高了吗？

嗯就是这样，有两个以上程序可以驻留内存，这种状态就叫Mutiprogramming

• 单用户系统有缺陷，无法让CPU和I/O同时处于运转状态
• 多程序思想让多个程序竞争CPU，提高了CPU的使用效率
• 作业调度器每次选择一个作业，交给CPU执行
• 当前作业需要等待时候（例如有I/O操作），CPU转向另一个作业

2.多任务 Multitasking 分时系统 Timesharing

在多程序思想的基础上扩展，Multiprogramming只要求多个程序驻留在内存中，CPU有空时候给程序分配资源就可以，而Multitasking则要求不但是驻留在内存，还要求在程序需要CPU时候，CPU能及时给它！响应用户的交互操作。称为交互式计算。

一个简单的例子
如果不具备这样的及时性，会有什么后果？一台计算机，能播放PPT还能接收邮件，这算是有多程序思想了。此时如果你在这里疯狂读PPT，而永远不去理睬e-mail，接收e-mail的程序永远得不到CPU资源，那么e-mail发过来了不响应就丢失了。邮件是什么，邮件给谁的，这并不重要，但是必须要先及时的响应，把它接收过来，不然就丢失在茫茫网海中了hhh。所以读PPT时候，要让邮件程序有收邮件的机会。而反过来一样，如果在接受一个很大的邮件，需要一定的时间接收，PPT此时得不到CPU，不动了，那还怎么学习，会给用户造成机器死机的感觉。

这就是Multiprogramming的重要性。必须要支持这样的需求！由此引出了操作系统的各种概念。

• 响应时间 Response time 在一秒内
• 每个用户至少有一道作业在内存中执行——进程
• 存在两个以上的进程等待CPU执行——CPU调度
• 内存空间装不下进程——需要换入、换出操作
• 虚拟内存管理技术，是的小内存也能运行大进程

3.CPU提供Dual-mode机制

• 用户态（user mode）和内核态（kernel mode）
  这样是为了OS的自我保护。从硬件层解决这个问题，CPU有个Mode bit模式位，可以在内核态（1）和用户态（0）之间切换。
  • 以Mode bit区分系统在执行用户代码还是内核代码
  • CPU带有特权指令，这些指令只能在内核态执行。特权指令一般是可能引起损害的机器指令。

  • 用户态下需要操作系统服务，那么系统调用此时就会从用户态切换至内核态，系统调用返回指令自动从内核态切换到用户态。

    
    

4.其他特征

• 中断驱动的硬件操作：什么任务到了，引发一个中断，没有中断就休息了。有任务才去搞。
• 软件申请，软件操作错误等，将产生异常或陷入
• 面临
  • “无限循环”问题
  • 进程干扰其它进程问题
  • 进程干扰OS问题
    ......

五、操作系统的服务类别

一共有两类服务。

1.一类服务直接帮助用户

• 用户界面（UI user interface）
  用户通过用户界面向操作系统下达命令。

  • 命令行CLI（Command-Line）
    文本命令，用户直接输入让操作系统执行的命令。如shell。
  • 图形用户界面GUI（Graphics User Interface）
    提供了视图，有定位设备指挥I/O，从菜单选择，选中部分并用键盘输入文本等等 。这个最常见不过了。
  • 批处理（Batch）
    这是个啥我也没见过具体例子Hhh,控制命令和命令的指令被输入文件中，通过执行文件来实现。

• 程序执行
  是OS能够装入程序到内存，执行驻留在内存的程序，结束程序的而执行，以及出错时候的异常处理。

• I/O操作

• 文件系统相关操作

• 进程间通信

  • 通过共享内存实现通信
  • 通过消息传递实现通信

• 出错检测
  要能随时应对系统出错，对各种各样的来自CPU、内存或I/O设备等地方的错误提供调试、查错工具。

2.另一类服务确保系统共享资源的高效运作

就是我们在上面举例中的PPT和e-mail按个实例

• 资源分配

• 记账——跟踪记录那些用户使用了多少资源，使用了哪些资源

• 保护和安全

  • 保护——确保对资源的访问是受控的
  • 安全——外来访问需要通过身份认证，不允许非法访问

六、操作系统的服务功能

进程管理
内存管理
存储设备管理
大容量存储器管理
I/O子系统管理

七、系统调用 System Calls

用户程序和系统软件与操作系统之间的界面。提供了操作系统的有效服务界面。

一个简单例子

这是进行文件复制时候的一个示例，用到了各种系统调用，文件管理的这些操作的实现都是要通过操作系统的系统调用来帮忙：

1.通常用高级语言C/C++实现

2.程序通常以API（Application Program Interface）使用，而不是直接使用系统调用。

3.三种流行的APIs

• Win32 API for Windows
• POSIX API for POSIX-based systems(UNIX\Linux和Mac OS X版本)
• JAVA API for the JVM

4.为什么要用API，而不是直接系统调用？

因为太菜了hhhh，开个玩笑。
普通用户不懂啊，普通的用户要理解系统调用的概念是有困难的，编程序的人可能不懂这个啊，也要让他去写程序。比如linux系统调用都是使用int 0x80号中断来实现的，普通用户根本不懂这些中断什么的。所以OS提供API，用户可以调用比较容易一点的API来实现系统调用。而不是把系统调用扔给你。

一个简单示例
下面就是调用标准C库里面的printf，用户调用printf，C程序拦截了这个调用来调用必要的操作系统调用（这里是write()），真正实现写字符输出的是系统调用的write()，用户程序只需要调用C库中的API就可以了。这个printf则是专业人士写的，为了用户的方便，他不用去用中断去实现打印，而只需要调用printf，printf帮助它做更底层的东西——引起int 0x80，进入内核态，调用write()，write()完成任务之后，又跳回到用户态，printf的代码中，printf再return到用户程序。

API和System Call和操作系统之间的关联如下所示

八、系统程序 System Programs

系统程序提供了一个方便的环境以开发程序和执行程序，其中一小部分知识系统调用的简单接口，其他可能是相当复杂的。

系统程序分类

• 文件操作
• 状态信息展示
• 文件内容修改
• 编程语言支持
• 程序装入和执行
• 用户间通信

以用户考察OS的视角，OS是以系统程序描述的，而不是系统调用。

九、操作系统结构

简单结构

层次化结构

从低到高：
硬件——硬件设备控制器——内核驱动程序——内核里的管理子系统——内核提供的系统调用——用户程序

微内核 microkernel

基本思想：尽量把内核中的所有非基本部分移出到用户态空间，将它们实现为系统程序或用户程序。剩下的就是微内核（通常包含最小的进程、内存管理以及通信功能）。处于用户态空间的功能模块通过消息传递机制进行通信。

• 有利因素
  • 容易升级微内核
  • 容易移植OS到不同类型的CPU、体系结构
  • 更可靠
  • 更安全

• 不利因素
  -被移出之后，用户态空间的程序增多，它们之间通信都要借助操作系统帮忙，每次通信都要从用户态转到内核态，不停的切换，那么用户态和内核态空间通信频繁，性能开销大，这是很致命的！

  
  

模块 modules

现代操作系统大多实现了内核模块机制。

• 应用面向对象思想方法
• 核心组件相对独立、分离
• 模块之间通过预知的界面对话
• 可动态装入内核
• 可动态卸载