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什么是一个操作系统？

一个不断运行着的、控制硬件的软件程序

职能

  • Resource Allocator

为上层的 App 分配底层资源

  • Control Program

控制程序的运行，防止错误的发生

Architecture

  • Single Processor System
  • Multiprocessor System
    • 单核
      多个 Processor 拥有各自的 local cache 但共享物理资源. 每一对 CPU 都执行所有的任务
    • 多核 多核的优势在于耗能更低，一个芯片中数据交互更方便 image.png
    • NUMA

Operation

graph LR
1[interrupt]
1-->2[hardware]
1-->3[trap/exception]
3-->4[error]
3-->5[system call]

Multiprogram & Multitasks

前者偏向于改进系统效率方面，后者偏向于改进用户体验

Multiprogram 增强了 CPU 的利用效能

- A subset of total jobs in system is kept in memory

Multitasks | Time sharing

在同一时间内让多个任务（或进程）共享系统资源并同时运行的技术。尽管在单核CPU上，实际上每次只能执行一个任务，操作系统通过快速切换任务，让用户感觉多个任务在同时进行。

  • Response Time 比较短，有利于交互
  • 把 CPU 分为不同的 Time Slides，不断切换不同的进程

Dual Modes

存在一个 Mode bit 来控制状态，0（内核态）1（用户模式）

  • User Mode 发出 system call
  • Privilege | Kernel | system | supervisor Mode

存在风险的指令为 Privileged Instructions，只能由内核模式执行。中断只能运行在 kernel mode

image.png

状态切换

Timer

一般包含一个 clock 和一个 counter，每次 clock tick 都会使 counter--，counter 等于 0 触发中断。 在进入用户模式之前（before scheduling process），都会设置一个 Timer，防止陷入无限循环。

Resource Management

操作系统为进程分配资源，如 CPU、 Memory、 Input Data 等等

Process Management

什么是进程？

一个单独的程序并不是一个进程，一个程序是静态的，是 passive entity。而进程要求是一个运行中的程序，active entity。

进程具有 Isolation 的特点，一个进程爆了并不会影响另外一个

进程和线程

|特性|进程|线程|

|---|---|---|

|内存空间|独立分配|共享同一进程的内存空间|

|资源占用|占用较多资源|占用资源少，切换成本低|

|通信方式|需要通过IPC机制|共享内存，通信简单|

|创建开销|创建和切换开销较大|创建和切换开销较小|

|崩溃影响|一个进程崩溃不会影响其他进程|一个线程崩溃可能影响进程内其他线程|

  • 一个进程下可以有多个线程
  • 每一个线程都会有一个 Program Counter 指向下一个要执行的指令

Memory Management

Operating System Structures

image.png

System Call

https://note.hobbitqia.cc/OS/chap01/#system-calls

Operating System

image.png

Linker And Loader

image.png

VM

image.png

System boot

硬件如何确定操作系统的位置呢？这需要有一段代码可以定位内核的位置并把它放到 memory 中运行。这段代码就被称之为 bootstrap program / bootstrap loader. 通过加载内核来启动计算机的过程称之为 booting the system.

Process

  1. bootstrap program or boot loader locates the kernel. 定位内核
  2. The kernel is loaded into memory and started. 装载内核
  3. The kernel initializes hardware. 初始化硬件
  4. The root file system is mounted. 挂载根文件系统 mount： 将一个文件系统和一个存储设备关联起来

What is a rootfs?

The root filesystem is at the top of the hierarchical file tree (also known as ‘/’). The Linux kernel directly mounts rootfs through the configuration argument ‘root=‘. The root filesystem also has mount points where we can mount other filesystems as well in order to connect them to this filesystem hierarchy. It has a number of directories containing files critical for booting the system and system operations.

相较于其他文件系统，rootfs 的特殊之处就在于它是第一个被挂载的文件系统，且其被挂载之后，将启动一些默认的初始化程序。

比如，在命令 ``

题目

Which of the following instructions should be privileged(in kernel mode)?

a. Set value of timer.

b. Read the clock.

c. Clear memory.

d. Issue a trap instruction.

e. Turn off interrupts.

f. Modify entries in device-status table.

g. Switch from user to kernel mode.

h. Access I/O device.