操作系统 课程笔记

改进此文档   01 Jun 2016
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并发与并行

并发是一段时间内多个任务， 并行是某个时间点上的多个任务，所以单核无法并行，但可以并发。

计算机发展

  1. 早期纸带机，串行，单用户
  2. CPU，内存增强-> 流水线化(批处理)，操作系统初步的形态，有了并发的特征
  3. 内存进一步扩大，内存中可以放入多个程序，而不需要磁盘读入，减少IO-> 多道程序（当一个程序等待IO,中断通知操作系统，操作系统调度切换，执行另一个程序），CPU更有效利用(考虑如何让CPU尽可能忙)
  4. 多道程序提高了CPU利用率，但用户交互不够好，因为一个程序执行时用户得等待，因为该程序抢占了所有CPU时间直到停止或等IO发送 中断信号，于是出现分时系统，由操作系统控制程序执行，超过限制时间(现代操作系统通常是千分之一秒)切换其他程序任务， 感官上好像每个程序（或用户）独占计算机。如何打断程序执行呢？答案是时钟，时钟定期产生中断。
  5. 个人电脑系统，提高交互性，字符命令到GUI
  6. 多核
  7. 网络快速发展出现分布式操作系统（前端只是用户界面，后端执行计算，通过internet链接）为了应对分布式的发展。 应对1，通过internet的松，紧耦合系统，数据中心机器集群是紧耦合，操作系统考虑如何高效管理，数据中心与用户终端是松耦合， 考虑如何高效传输。发展中。。。
  8. 未来： 物联网，云计算中心，从早期的一群人围着一个计算机，到一群计算机围着一个人服务。

架构发展

  1. 早期DOS资源紧缺，单体设计，没有模块化，却不安全

  2. Linux面向服务器，资源更好，采用模块化设计

  3. 早期模块化，函数调用实现访问，当前学术界产生一个想法（类似微服务），让操作系统变得更加小巧， 调用采用类似消息传递的机制，松耦合实现， 操作系统更加容易扩展-> 微内核架构的设计，内核只放最基本的消息传递，中断处理。 而比如文件系统，内存管理等都放在外围作为进程(服务)形式存在。灵活且安全，代价是性能，目前产业界很少有微内核架构的设计。

  4. 学术界另一个极端的想法是把硬件封装成一个lib，

  5. 还出现了VM虚拟机

第三讲 启动、中断、异常和系统调用

操作系统保证系统安全以及衔接应用程序和外设，实现这一目的主要有三个方面：

  1. 中断（外设）
  2. 异常(应用程序的意外行为，如除零，如恶意访问其他程序地址空间，如请求内存占满)
  3. 系统调用

处理时间：

  1. 中断 ： 异步
  2. 异常 ： 同步
  3. 系统调用： 同步或异步

响应：

  1. 中断： 持续，对应用程序透明
  2. 异常： kill或重启应用程序
  3. 系统调用： 等待或持续

3.1 BIOS

BIOS 加载 BootLoader(第一个扇区)， BootLoader 加载 OS

系统启动必须要找到一个特定的代码执行，此代码为BIOS，

BIOS 存储在内存的ROM段 系统启动开始时置CS:IP = 0xf000:fff0

系统处于实模式下, 此时：

*PC = 16CS + IP*, 则PC= 0xffff0（共54 = 20位地址空间）

所以BIOS可得到约共20位地址空间（1MB）

BIOS实现的功能

BIOS作为启动固件之用，那么首先需要有硬盘读写的能力以及其他包括：

  • 基本输入输出程序（读写硬盘，键盘输入，屏幕输出）
  • 系统设置信息(系统配置，例如从硬盘启动还是网络启动还是光盘启动，U盘启动)
  • 开机后自检程序
  • 系统自启动程序等

具体过程

加载程序

将加载程序从磁盘的引导扇区（512字节）加载到0x7c00 (0111 1100 0000 0000)

（那么加载程序最大只有512字节）

跳转到 CS:IP = 0000:7c00

控制权转到此加载程序

加载程序功能：

  • 将操作系统的代码和数据从硬盘加载到内存中
  • 跳转到操作系统的起始地址（控制权交给了操作系统）

问题： 为什么需要一个 中间的加载程序加载操作系统，而不是BIOS直接把操作系统内核映像读进去呢？

答：首先磁盘上有各种格式的文件系统(NTFS，FAT32等)，那么识别文件系统格式可以由加载程序完成

BIOS系统调用

BIOS以中断方式提供基本的I/O功能，例如：

  • INT 10h: 字符显示
  • INT 13h: 磁盘扇区读写
  • INT 15h: 检测内存大小
  • INT 16h: 读取键盘输入

BIOS提供最简单最基本的IO功能，其使用也受到很大限制（例如对于x86,只能在实模式下访问）。

3.2 系统启动流程

参考：计算机是如何启动的

MBR格式

MBR共512字节，包括：

  1. 启动代码: 1-446字节，共446字节（代码段）
  2. 硬盘分区表: 447-510字节，共64字节（数据段）可用4分区，每分区16字节，猜测这意味着一个分区的寻址空间约2^128字节。
  3. MBR结束标志：511-512字节，共2字节，0x55AA

在BIOS中不是有启动顺序么？比如U盘启动就将其顺序放置在第一位，

实际过程是按照启动顺序检查存储设备最前面的512字节，如果最后以0x55AA结尾，就认为是MBR（Master Boot Record,主引导记录）

MBR之后跳到分区引导扇区上，

分区引导扇区格式：

3.3 中断、异常和系统调用

实验部分

3-1 x86启动顺序

step1. 各寄存器初始化到初始值，关键注意CS和EIP的值，CS=F000H，EIP=0000FFF0H，Base=FFFF0000H

为了兼容早期的8086，初始启动为实模式，后续才到保护模式

Bootloader做的事情

  1. 使能保护模式（将特殊寄存器CR0从0置为1，从实模式切换到保护模式），段机制能正常工作了
  2. 读取kernel代码（可能保存在多个扇区）到内存中固定的位置
  3. 修改CS，EIP控制权转移给内核
  4. 建立gdt（全局描述符表）结构

3-2 C函数调用的实现

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