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操作系统概述

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操作系统

操作系统概述是课程的开篇模块，涵盖操作系统的定义、功能、发展历史、系统结构、中断与异常机制以及系统调用接口。该模块帮助学生建立对操作系统角色的整体认知——OS 既是计算机资源的管理者，也是应用程序的运行平台，核心目标是提高资源利用率、方便用户使用。

核心概念

操作系统概念

定义

  • 操作系统 是软硬资源的控制中心，以合理有效的方法组织多个任务共享使用计算机的各种资源，并提供编程和使用接口。
  • 层次：硬件 — 操作系统 — 应用程序
  • 狭义 OS = 内核（本课程聚焦）；广义 OS = 内核 + 系统调用 + GUI + 其他系统组件

目的

  • 方便用户：屏蔽硬件细节，提供命令行/GUI/编程接口，简化用户使用
  • 提高资源利用率：协调 CPU、内存、I/O 设备等资源，减少闲置浪费

四个核心管理功能

  • 处理机管理（进程管理）：进程创建/撤销/调度/同步，分配 CPU 资源
  • 存储管理：内存分配回收、地址映射、保护、扩充（虚拟内存）
  • 文件管理：文件组织、存储、命名、快速检索、共享保护
  • 设备管理：I/O 设备分配驱动、缓冲管理、中断处理

用户接口

  • 操作接口：面向普通用户（命令行 CLI、图形界面 GUI、语音/视觉等多通道交互）
  • 编程接口：面向程序员（系统调用 API，应用程序请求内核服务的唯一方式）

资源共享方式

  • 空分共享（空间复用）：资源按空间划分，不同应用各占一块。典型：内存（不同进程加载到不同区域）、硬盘（多文件共享空间）
  • 分时共享（时间复用）：资源按时间段轮流使用。典型：CPU（不同任务按时间片交替执行）
  • 独占式共享：一次只允许一个任务使用（如打印机）
  • 分时式共享：可间断穿插多个任务（如 CPU 时间片轮转）

用户类型

  • 最终用户：通过操作接口使用计算机（点击图标、输入命令）
  • 程序员：通过编程接口（系统调用）开发应用程序

作为接口的示意图

用户
应用程序
系统调用 | 命令 | 图标、窗口
操作系统
计算机硬件

操作系统最基本的功能

  • 进程管理
  • 存储管理
  • 文件管理
  • 设备管理
  • 用户接口
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发展历程

操作系统发展历史

发展阶段

无操作系统时代（40 年代 — 50 年代中期）

  • 人工操作，无 OS，用户独占全机
  • 程序通过打卡（纸带/卡片）输入
  • 问题：CPU 高速计算 vs 人工低速 I/O，CPU 大部分时间在等待，资源利用率极低
  • 关键驱动：ENIAC（1946 年）弹道科学计算需求

单道批处理时代（50 年代）

  • 监督程序 Monitor 出现：OS 雏形，常驻内存，代替人工 I/O
  • 自动性：一批任务预先装好，Monitor 依次自动启动
  • 单道：每次仍只执行一个任务，无并发性
  • 核心概念：作业（Job）、作业步（Job Step）、作业控制语言（JCL）
  • 特征：自动性、顺序性、单道
  • 缺点：无共享能力，不是真正意义上的 OS（本质区别：无并发性）
  • 关键驱动：减少人工干预，提高自动化程度

多道批处理时代（60 年代初）

  • 硬件基础：通道技术、磁盘技术、中断技术
  • 核心思想：内存中同时加载多个作业，CPU 交替执行
  • 关键技术：
    • Buffer（缓冲）：CPU 直接从 buffer 取数据，无需等待慢速 I/O
    • 通道（Channel）：专用 I/O 处理机，负责内存和外存间的数据交换
    • 中断（Interrupt）：I/O 完成后主动通知 CPU，CPU 可干别的事
    • SPOOLing：把磁盘作为大缓冲区，慢速设备→磁盘→内存→CPU
  • 宏观并行（多任务同时推进），微观串行（单 CPU 交替执行）
  • OS 两大基本特征在此产生：并发（Concurrency）和共享（Sharing）
  • 优点：资源利用率更高、吞吐量更大
  • 缺点：平均周转时间变长、无交互能力
  • 多道程序设计引入进程概念：为描述程序并发执行的动态过程，引入进程（Process）作为资源分配和独立运行的基本单位

分时系统时代（60 年代）

  • 推动力：键盘、鼠标、显示器等交互终端出现
  • 定义：交互式系统 + 多道程序设计思想的结合
  • 原理：CPU 按时间片轮流服务于多个用户终端（时间片轮转）
  • 特征：
    • 并发：多用户同时使用计算机
    • 共享：多任务共享主机资源
    • 交互性：用户通过终端与系统实时交互
    • 独立性：各终端互不干扰
    • 及时性：可接受响应时间内反馈
  • 关键驱动：人机交互需求增长

实时系统时代（60 年代）

  • 定义：强调反馈实时性，用于时间要求严格的场景
  • 典型场景：高铁控制、飞行控制、武器系统、医疗设备、银行系统
  • 特征：
    • 实时性：时间分辨度高，能及时响应中断
    • 高可靠性：系统稳定性要求极高
    • 专用性：定制化系统
    • 多级中断机制：保障快速响应
    • 剥夺式调度：实时任务可无条件剥夺非实时任务的 CPU
  • 关键驱动：工业控制、航空航天等对时间约束的硬性要求

多方式（通用）操作系统时代（60-70 年代）

  • 兼具批处理、分时、实时功能的通用操作系统
  • 代表：Windows、Linux、UNIX
  • 多种操作系统模式并存发展

分布式/网络/多机系统时代（70 年代后）

  • 分布式系统：多机协同，资源共享，支撑云平台、大模型运算
  • 网络系统：远程通信与资源共享
  • 多机系统：多处理器架构，并行调度
  • 关键驱动：网络技术发展、算力需求增长

发展趋势

  • 虚拟化、云计算、嵌入式（鸿蒙/iOS）、物联网、AI 异构算力协同
  • AI 时代 OS：交互方式向意图理解发展，核心角色从资源管理向任务规划演进
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结构与运行模型

操作系统结构

典型结构

整体式结构（单内核）

  • 所有操作系统功能在内核态运行
  • 效率高，但模块耦合紧密

微内核结构

  • 内核只保留最基本功能（进程通信、中断处理等）
  • 其他功能（文件系统、设备驱动等）在用户态实现
  • 高可靠性、可扩展性

分层结构

  • 按功能层次组织，下层向上层提供服务

重点 运行模型

根据 OS 的运行方式，分为三种模型：

① 非进程内核模型

  • 内核运行在任何进程上下文之外，以一个独立的内核映像存在
  • 内核代码不依附于任何用户进程，拥有自己独立的栈和内存区域
  • 实际例子：
    • MS-DOS：整个 OS 是一个常驻内存的程序，与用户程序完全分离
    • 传统 UNIX（早期）：核心常驻内存，中断/异常直接在核心态处理，不涉及进程切换
  • 特点：简单直接，但缺乏灵活性

② OS 功能在用户进程内执行的模型

  • OS 内核代码在用户进程的上下文中执行
  • 当进程通过系统调用或中断与异常陷入内核时，进程本身切换到核心态继续运行（使用进程自己的内核栈）
  • 内核代码共享进程的地址空间（仅核心态部分）
  • 实际例子：
    • Linux：进程调用 read() → 陷入内核 → 在当前进程上下文中执行内核代码（sys_read）→ 返回用户态。操作系统-错误 和 top 显示的 sy%（内核态 CPU 时间）就是这部分
    • Windows NT 内核：系统服务分发后，在调用线程的上下文中执行内核函数
  • 特点：性能好（无需额外上下文切换），现代主流 OS 的模式

③ OS 功能作为独立进程执行的模型

  • OS 的各功能模块作为独立的内核/系统进程运行
  • 用户进程通过进程间通信（IPC） 向这些系统进程请求服务
  • 代表微内核结构
  • 特点：高模块化/可靠性（一个模块崩溃不影响整个系统），但 IPC 开销大
模型典型 OS性能健壮性
非进程内核MS-DOS、早期 UNIX高低
用户进程内执行Linux、Windows NT高中
独立进程执行MINIX、QNX、Mach中（IPC 开销）高

用户接口

  • 命令接口（命令解释器 / shell）
  • 程序接口（系统调用）
  • 图形用户接口（图标、窗口）
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中断与异常

中断与异常

定义

  • 指系统发生某个异步/同步事件后，处理机暂停正在执行的程序，转去执行处理该事件程序的过程。

引入目的

  • 开发 CPU 与通道（或设备）之间的并行操作
  • 实现 I/O 完成后通知 CPU（CPU 无需轮询等待）

广义中断分类

外中断（狭义中断）

  • 由硬件逻辑产生，与当前执行指令无关
  • 可屏蔽
  • 典型：I/O 完成中断、时钟中断、设备故障中断

内中断（异常/例外）

  • 来源于当前运行的程序，与当前指令有关
  • 不可屏蔽
  • 典型：
    • trap 指令（陷入指令）：程序主动触发，用于实现系统调用
    • 缺页异常（Page Fault）：访问的页面不在内存，需从外存调入
    • 除零、越界访问等非法指令
    • debug 断点

中断的分级

  • 不同优先级的中断，高优先级可打断低优先级

中断/异常处理流程

  1. 保存现场（Save Context）：暂停当前程序，保存 CPU 寄存器、程序计数器等现场信息
  2. 分析原因：判断中断/异常类型，找到对应的处理程序入口
  3. 处理（Handle）：执行中断/异常处理子程序
  4. 恢复现场（Restore Context）：恢复之前保存的现场，返回被中断程序继续执行

作用

  • 是 CPU 与 I/O 设备并行工作的基础（CPU 无需等待慢速 I/O，完成时由中断通知）
  • 驱动内核执行——内核是中断驱动的，需中断/异常激发内核代码运行
  • trap 指令实现用户态到核心态的切换，是② OS 功能在用户进程内执行的模型的触发机制
  • 实现并发和 I/O 操作的基础

中断/异常处理示例

  • 缺页异常：程序访问虚拟地址 → 硬件发现页表合法位=0 → 产生缺页异常 → CPU 切换至核心态 → OS 缺页处理程序从外存调入页面 → 更新页表 → 恢复现场继续执行
  • 系统调用：用户程序执行 trap 指令 → 软件触发异常 → CPU 切至核心态 → 按系统调用号分发执行 → 返回用户态
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系统调用

系统调用

定义

  • 操作系统提供给应用程序的编程接口
  • 用户态程序请求内核服务的唯一方式

与用户级函数调用的区别

维度系统调用普通函数调用
运行状态用户态→核心态切换仅在用户态执行
实现机制需 trap 指令（中断与异常）普通 call/jmp 指令
执行特权可执行特权指令（访问硬件）只能执行普通指令
返回机制涉及现场恢复和重新调度简单返回

分类

  • 进程控制（fork、exit、wait）
  • 文件操作（创建、打开、读、写、关闭、删除）
  • 设备管理
  • 信息维护
  • 通信（pipe、shmget、socket）

系统调用编号分发机制

  • 每个系统调用有唯一系统调用号
  • 用户程序将系统调用号存入特定寄存器
  • 进入内核后，内核根据系统调用号查系统调用表（sys_call_table），跳转到对应处理函数
  • 不同 OS 的系统调用表不同 → 安装包不通用

参数传递方法

  • 寄存器传递：参数通过特定寄存器传递（速度快，数量有限）
  • 栈传递：参数压入用户栈
  • 内存传递：参数存入内存块，将内存地址传入寄存器

执行流程

  1. 用户程序执行到系统调用
  2. trap 指令：CPU 态制位（用户态→核心态）
  3. 保护现场，保存寄存器状态
  4. 根据系统调用号查系统调用表，进入对应处理入口
  5. 参数通过寄存器/栈/内存传递
  6. 执行内核态服务（核心态可执行特权指令直接访问硬件）
  7. 结果写回寄存器
  8. 恢复现场，返回用户态继续执行

write 系统调用完整路径示例

用户程序 printf → C 标准库函数 → write() 系统调用 → trap 指令进入内核 → 内核根据系统调用号分发 → VFS（虚拟文件系统）层 → 文件系统驱动定位文件物理位置 → 磁盘驱动程序 → DMA 传输 → CPU 让出给其他程序 → 磁盘中断（传输完成）→ 中断处理程序唤醒等待进程 → 恢复现场 → 返回用户程序

示例关系

  • printf（C 标准库函数）→ write（系统调用）→ 输出到设备
  • fopen/fclose/fread/fwrite 等库函数底层均封装对应系统调用
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对比：操作系统结构

  • 整体式结构与 微内核结构 对比
    • 整体式：所有功能在内核态，效率高耦合紧
    • 微内核：仅保留基本功能，其他在用户态，可靠性高

关系图谱

反向链接