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Ch1. 概论

其实计算机系统基础全部学过？

操作系统概述

计算机系统通常包括：

  • 硬件层（CPU、存储、I/O 设备）
  • 操作系统层（操作系统软件）
  • 支撑程序层（开发用软件）
  • 用户层（终端用户使用的软件）

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操作系统是介于用户界面和硬件层之间的，处于内核态下的程序。一方面，操作系统自顶向下为应用开发人员提供简洁易用的资源抽象（系统调用服务）；另一方面，自底向上管理种类繁多、纷繁复杂的硬件资源（支撑软件层和用户层都通过操作系统接口使用资源）

从更具体的角度来说，资源管理、进程调度、接口提供，是操作系统的主要功能

操作系统特征

  • 并发性：指两个或两个以上的事件或活动在同一时间间隔内发生
    • 微观层面上，在这个时间间隔内，事件/活动是轮转进行的
    • 相对的，并行性指两个或两个以上事件或活动在同一时刻发生
  • 共享性：指系统中的资源可被多个并发执行的任务（作业）所使用
  • 异步性：多道程序执行时，每个任务的推进速度和被中断时机是随机的、不可预测的，但操作系统必须通过同步机制保证最终结果的正确性
  • 虚拟性：指操作系统中的一种管理技术，将物理上的一个实体变成逻辑上的多个对应物，或把物理上的多个实体变成逻辑上的一个对应物的技术

资源分配

计算机系统的物理资源可以分为两类：计算/存储类、接口类。操作系统通过一些管理技术控制软硬件资源的分配，最终体现为“应用程序的虚拟机”：

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  • 复用

操作系统让多个进程共享物理资源，通过两种方式进行复用：

1- 空分复用共享：把物理资源切成多份，让每个进程有独立的（虚拟）空间（因此说操作系统具有共享性）

2- 时分复用共享：CPU 将物理资源轮流给不同进程使用，分时共享（因此说操作系统具有并发性）

  • 虚拟

虚拟化的本质是对资源的调用，把物理上的单个资源转变为计算机逻辑上的多个对应物（或者反过来），为上层的应用提供虚拟资源的“假象”。上层应用只需要自由地调用自己所被分配的虚拟资源即可，而调度虚拟资源对应的实际物理资源是操作系统需要调控的

  • 抽象

鉴于 ICS 课上都学过了，这里丢两张图即可

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基于上面的技术，我们开发出多道程序设计技术（将多个作业放入内存，同时启动运行，从微观上看其实是轮转进行），进而开发出分时交互系统

BIOS + MBR 计算机引导过程

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直接交给 LLM 解释：

  1. Power-up / Reset（上电/复位） 计算机通电或复位后，CPU 从固定地址开始执行，进入固件阶段。
  2. System startup（系统启动）—— BIOS / BootMonitor 最先运行的程序称为 BIOS（Basic Input/Output System），其首先进行硬件初始化和 POST（加电开机自检），然后扫描可引导设备（如硬盘），按照用户设定的启动顺序 ，依次尝试每个可引导设备的第 0 扇区（MBR），直到找到第一个有效的 MBR 为止。
  3. Stage 1 bootloader（第一阶段引导程序）—— Master Boot Record BIOS 将 MBR（主引导记录，512 字节）加载到内存并执行。MBR 包含分区表和极小的 Stage 1 引导代码，其唯一任务是定位并加载位于磁盘其他位置的 Stage 2 bootloader。
  4. Stage 2 bootloader（第二阶段引导程序）—— LILO、GRUB 等 Stage 2 引导程序（如 GRUB、LILO）被加载到内存。它能识别文件系统，读取配置文件（例如 /boot/grub/grub.cfg），然后加载内核镜像。
  5. Kernel（内核）—— Linux Stage 2 将内核解压并加载到内存，传递启动参数，随后将控制权交给内核。内核初始化硬件、挂载根文件系统。
  6. Init（初始化进程）—— User-space（用户空间） 内核启动第一个用户态进程（通常是 /sbin/init 或 systemd），进入用户空间，开始运行系统服务、启动图形界面等，最终系统进入可用状态（Operation）。

Linux 系统调用

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  1. 用户程序调用 read()，实际上调用的是 glibc 库提供的包装函数
  2. read() 函数构造相关参数，调用 int 0x80 触发软中断，进入内核态
    1. 系统调用号存入 %eax 寄存器
    2. 最多6个参数依次存入 %ebx, %ecx, %edx, %esi, %edi, %ebp
    3. 此时进行权限检查，要求 CPL ≤ DPL
  3. 内核模式中，保存用户态上下文（如 SS, ESP, EFLAGS, CS, EIP）到内核栈，然后 CPU 跳转到中断向量 0x80 对应的 system_call 入口，根据 %eax 中的调用号，在 sys_call_table 中查找对应内核函数并执行
  4. 内核函数完成后，将返回值放入 %eax，执行 iret 恢复用户态上下文，返回用户程序继续执行

注意到 read() 函数由 glibc 提供了一层封装，库函数的优点在于增强程序可移植性。对于不同的操作系统，库函数进行差异化的处理，并提供统一的上层接口，安全稳定，还增强了可读性

当然，如果要提高执行效率，直接进行针对当前操作系统的系统调用也是可以的

操作系统分类

操作系统按照功能与使用方式分为三类：

  • 批处理操作系统：将一批作业集中输入，由系统自动依次处理，运行期间用户无法干预。主要用于早期大型计算机，特点是吞吐量大、资源利用率高，但无交互性（脱机工作）

  • 分时操作系统：将 CPU 时间划分为很短的时间片，轮流分配给多个用户的任务，使每个用户都能通过终端与系统交互。特点是同时性、独立性、及时性、交互性（联机工作）

  • 实时操作系统：必须在一个事先定义好的时间限制内，对外部或内部的事件进行响应和处理。特点是高可靠性和确定性，强调及时响应而非高吞吐量。

如果按照运行的硬件平台分类，常见的操作系统都是微机操作系统，此外还有并行操作系统（如 MACH），嵌入式操作系统，网络操作系统（如 Unix，Windows NT），分布式操作系统

多道批处理系统 CPU 利用率计算

假如一道程序在任意时刻，要么在使用 CPU 计算，要么在等待 I/O 操作完成，其中等待 I/O 操作的时间占其运行时间的比例为 \(p\)

当内存中有 \(n\) 道程序时，所有程序都等待 I/O 的概率是 \(p^n\)（即 CPU 空闲），那么 CPU 利用率 \(=1-p^n\)

这就是为什么对于早期的多道批处理系统，多道程序能提高 CPU 利用率