六. 运行机制

两种指令

• 指令：处理器（CPU）能够识别，执行的最基本命令。【即二进制机器指令】

Linux，Windows，MacOS的cmd命令框中的”指令“实质上是交互式命令接口。

• 特权指令：一些可以影响其他程序的指令。只能由”管理者“即操作系统内核使用。
• 非特权指令：应用程序使用的指令，如加法指令，减法指令等。

CPU设计出来时候就划分了两种指令，因此执行的之前可以判断出指令类型。

两种CPU状态

• 内核态（核心态，管态）：此时运行的是内核程序，可以执行特权指令。
• 用户态（目态）：此时运行的是应用程序，只能执行非特权指令。

CPU中存在标志CPU状态的寄存器：程序状态字寄存器（PSW），使用一个二进制位来表示CPU处于用户态还是内核态。

两种程序

• 应用程序：普通程序员写的程序。
• 内核程序：多个内核程序组成”操作系统内核“，简称”内核Kernel)“

内核：操作系统的核心部分（eg. Docker—>仅需要Linux内核），最接近硬件。操作系统最核心的功都在内核中，其他功能如图形化用户界面GUI则不在内核中。

• 状态切换：内核态—>用户态：执行特权指令—修改PSW位，操作系统让出CPU使用权。

  用户态---->内核态：由”中断“信号引发，硬件自动完成变态过程。操作系统强行夺回CPU使用权。

凡是需要操作系统介入的地方，都会触发中断信号。

七. 中断和异常

中断的作用

“中断”：操作系统内核夺回CPU控制权的唯一途径。

如果没有"中断"机制，一旦应用程序上CPU运行，就会一直占用CPU。

中断类型

• 内中断：与当前执行的指令有关，中断信号来自CPU内部。【也称为”异常“，包括陷入（trap），故障（fault），终止（abort）】

• 例子一：试图在用户态执行特权指令
• 例子二：除法运算发现除数为零
• 例子三：应用程序请求内核服务，会执行特殊指令–陷入指令【不是特权指令】，引发内部中断。

• 外中断：与当前执行的指令无关，中断信号来自CPU外部。【狭义的"中断"】

• 时钟中断：时钟部件发来的中断信号
• I/O中断

中断机制基本原理

八. 系统调用

定义

系统调用是操作系统提供给程序（程序员/编程人员）使用的接口【可供应用程序调用的特殊函数】；应用程序通过系统调用请求获得操作系统内核服务。

系统调用与库函数

系统调用实现的功能

系统调用过程

• Step 1 传递寄存器参数

首先，向寄存器传递参数（≥1个），首个参数指明系统调用类型，如”fork“调用。

• Step 2 执行陷入指令 引发内中断信号。接着转入中断处理程序【内核程序】—即 系统调用入口程序。

• Step 3 系统调用入口程序 【假设使用了fork系统调用】

• **Step 4 **系统调用完成后，返回用户态继续执行原程序后续指令

• 总结

九. OS体系结构

• 原语：一种特殊程序，具有原子性。（即程序的运行不可被”中断“）

内核

• 大内核（宏内核/单内核）：将操作系统主要功能模块都作为系统内核，运行在核心态。

应用程序请求内核服务需要2次CPU状态转换。Tip：CPU状态转换需要消耗时间，频繁转换会降低系统性能。

• 优点：高性能。
• 缺点：内核代码庞大，结构混乱，难以维护。某个功能模块出错，可能导致整个系统崩溃。
• 常见系统：Linux，Unix。

• 微内核：内核只保留最基本功能。

应用程序请求内核服务需要6次CPU状态转换。
利用进程管理，存储管理 ：通过消息传递，指明想要调用的功能模块。

• 优点：内核功能少，结构清晰，便于维护，可靠性高。内核外的功能模块出错不会导致整个系统崩溃。
• 缺点：需要CPU频繁切换状态，性能低。
• 常见系统：Windows NT

分层结构

• 操作系统内核被分为多层，最底层是硬件，最高层是用户接口。每层只能调用更低一层提供的接口。

• 优点：1.便于调试，自底向上逐层调试验证。【本层只会使用低一层的功能】

  2. 利于扩充维护，各层接口清晰固定。【只需要层间接口固定不变即可扩充层次】

• 缺点：1. 仅仅可以调用相邻低层，难以定义各层的边界。【不同层的功能都需要被使用】

  2. 效率低，不可跨层调用，系统调用时间长。
     

模块化

• 内核被分为多个模块，各模块相互协作。

内核 = 主模块（由进程管理，内存管理等模块组成） + 可加载内核模块（如驱动模块）

可加载模块动态加载新模块到内核，无需重新编译整个内核。【使内核具有可拓展性】

• 优点：模块间逻辑清晰易于维护，可以多模块同时开发。

  支持动态加载新的内核模块，增强OS适应性。
  ** 各模块之间可以相互直接调用**，无需通信，效率高。

• 缺点：模块间接口定义不一定合理，实用。

  模块间相互依赖，难以调试。
  

外核

• 内核：负责进程调度，进程通信等功能。

• 外核：负责为用户进程分配，回收未经抽象的硬件资源；保证资源使用安全。

              外核**分配连续的地址空间**，便于用户随机访问【磁盘的磁头不需要来回跳转】，**提升了性能**。
  

未经抽象的硬件资源：即未经过虚拟化的硬件资源（内存空间，磁盘空间等）。
用户进程视角下连续的地址空间，实际上可能是分散存储的。

• 优点：
  • 使得用户进程可以灵活使用硬件资源。
  • 减少了虚拟硬件资源的”映射层“，提升效率。【不需要查页表，进行物理地址转换】
• 缺点：
  • 降低了系统一致性。【可能存在一块物理地址被用于虚拟地址映射，同时又被外核使用分配给用户进程。需要实际分析使用情况】
  • 使得操作系统更加复杂。
    

十. 系统引导

BIOS（Basic Inout / Output System）：基本输入/输出系统。

相关的数据

磁盘数据

• 分区表：一个数据结构，指明了磁盘各个分区的空间大小和地址范围。
• C盘：作为磁盘的活动分区，安装操作系统。

C盘细分如图：

主存数据

RAM芯片区：易失性（断电丢失数据）；ROM芯片区：不易失性。

• ROM引导程序：指示CPU将磁盘的主引导记录读入CPU（RAM区）。

接着CPU会执行主存中的磁盘引导程序 ----> 磁盘引导程序确定C盘位置，将C盘的引导记录PBR读入主存 ------->执行PBR程序----->查找启动管理器【通常存储在根目录】
---------> 读取启动管理程序进入主存------------> 执行启动管理程序--------->完成操作性系统初始化操作

系统引导过程总述

eg. Windows操作系统万丈的开机初始化程序在”根目录/Windows/Boot“路径下。

十一. 虚拟机

背景

• 传统计算机在一个物理机上只能运行一个操作系统，在其上运行多个应用程序。

• 不足：1. 若物理机器硬件资源强大，则会出现计算机资源利用不充分。

  2. 多个进程同时运行在一台物理机上，可能会出现资源冲突而相互影响造成安全隐患。
     

两类虚拟机

• 第一类VMM，直接运行在硬件之上
  • CPU按时间片划分，然后分配给各个虚拟机。磁盘，内存空间划分出来分配。
  • 直接管理、分配硬件资源。
  • 只有虚拟机管理程序运行在内核态，可以使用特权指令。【如果上层操作系统使用特权指令，会被虚拟机管理程序捕获，然后进行转换，模拟出特权指令执行成功的现象】
• 第二类VMM，运行在宿主操作系统
  • 参考上图
  • 虚拟机管理程序将获得的虚拟资源再次划分，然后分配给各个虚拟机，比第一类虚拟机多了一层套接，因此性能更差。
• 两种虚拟机的比较