操作系统实验 uCore

• 操作系统：没有一个完整、精确、工艺的定义
• 功能区分：cpu 磁盘 内存
• 应用软件：办公软件、视频播放软件
• 操作系统位于应用软件之下，为应用软件提供服务支撑
• 操作系统对外：两个接口：一个是外壳（shell），而不是内核（kernel）kernel是我们的研究中带你，在shell之下。
• 操作系统内部细化需要管理那些内容？ CPU 内存 磁盘是主要的三大块。CPU涉及到CPU调度器以及进程和线程管理。内存涉及到物理内存管理、虚拟内存管理，对于disk而言，以此盘块为基本的读写单位，做文件系统，通过文件系统来管理。
• 终端处理和IO设备驱动 和底层直接打交道：有了中断这部分？？
• 操作的4个系统特征：
  • 并发：计算机系统中同时存在多个运行的程序，需要OS管理和调度，一个时间点上多个程序同时运行
  • 并行：多个CPU，一个时间段之内多个程序同时运行
• 共享：如何让资源共享给有需要的程序
  • 互斥共享
• 虚拟
  • 操作系统面向硬件，将其虚拟化，将CPU虚拟化为进程等
  • 利用多道程序设计技术，让每个用户都觉得有一个计算机专门为他服务
• 异步 程序的执行不是一贯到底，而是走走停停，向前推进的速度不可与之
• 但只要运行环境相同，OS需要保证程序运行的结果也要相同，即使是异步，也要保证结果相同

什么是操作系统？

• 用户角度上，操作系统是一个控制软件
• 管理应用程序
• 资源分配的分配器，计算机里的各种资源不同的外设、CPU，需要操作系统协调好，需要不同时刻有不同的分配。
• 磁盘抽象为文件，内存抽象为地址空间
• 层次结构：中间层的系统软件。承上启下的作用 硬件之上 应用程序之下

为什么学习操作系统？

• 结合不同的课程的总结归纳
  • 程序设计语言
  • 数据结构
  • 计算机体系结构
  • 操作系统概念和原理，源代码
  • 技能
  • 操作系统的设计和实现
• 已有很多操作系统，例如windows、linux，操作系统还在不停的发展！
• 面向桌面、面向服务器、工控领域、手机端的操作系统。经典实例：UNIX BSD伯克利软件发行版，linux仿unix操作系统。Linux是一个大学生写的，听到这真的感觉自己的大脑不是大脑的感觉。

操作系统的历史和演变过程

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• 时钟会定时器的终端切换任务

操作系统结构

• unix操作系统提供了很多层次，汇编语言与机器绑定性，所以没有移植性。定时器驱动、中断服务、引导装置。
• 微内核的设计，操作系统内核只放最基本的功能。服务和服务之间通过内核的消息传递机制来通讯，很灵活，内核通过地址隔离使得无法破坏其他的地址。交互通过将数据导入内核，内核再将其导给内存管理的子系统，有利有弊。很少有这种微内核的设计。
• ？？ OS的功能和一些应用结合起来，可以设计一些应用，使其速度越来越快，主要在学术界。目前还在研究
• 虚拟机（VMs）：虚拟出多台计算机系统——虚拟出完整的计算机，有了VMs，一台计算机变成了多台。

操作系统的启动

• 启动
  • 计算机体系结构概述
  • 最基本就三部分：CPU、Memory、IO
  • BIOS：基本I/O处理系统，检测各种各样的外设，检测完外设之后才能加载各种服务。
  • Bootloader：加载OS，512个字节
  • DISK：存放OS
  • POST(加电自检），寻找显卡和执行BIOS
  • 计算机内存和硬盘布局
  • 开机顺序
• 操作系统与设备和程序交互
  • interface 系统调用、异常、中断
  • 系统调用：应用程序主动向操作系统发出服务请求
  • 异常（来源于不良应用程序） ：非法指令或其他坏的处理状态（如：内存出错）
  • 中断（来源于外设）：来自不同的硬件设备的计时器和网络的终端
  • 在计算机运行中，内核是被信任的第三方 只有内核可以执行特权指令，为了方便应用程序
  • 操作系统如何设计和实现中断、异常和系统调用，三者的区别和特点？
    • 处理时间：
      • 中断：异步
      • 异常：同步
      • 系统调用：异步或同步
    • 响应
      • 中断：持续，对用户应用程序是透明的
      • 异常：杀死或者重新执行一项不到的应用程序指令
      • 系统调用：等待和持续
  • 中断
    • 硬件 这只中断标记【CPU初始化】
      • 1 将内部、外部时间设置中断标记
      • 2 事件的ID
    • 软件
    • 保存当前被打断的现场
    • 中断服务程序处理
    • 清除中断标记
    • 回复之前保存的处理状态
  • 异常：异常编号
    • 保存现场
    • 异常处理
      • 杀死产生了的异常的程序
      • 重新执行异常指令
    • 恢复现场
  • 系统调用

    • c语言的printf()，会触发系统调用write()。指令会触发一条系统调用write()

      
      
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    • 用户态和内核态
      • 内核态：超级系统运行CPU所处的状态，可以执行特权指令
      • 用户态： 不能执行某些特权指令
      • 从用户态转为内核态或者应用程序和系统拥有各自的堆栈切换，还要完成特权机的转换，开销比函数调用很大，开销是有回报——安全可靠

      • 函数调用实际在同一个栈空间

        
        
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