CS143AWk1笔记

CS143A

1. 操作系统（Operating System）

1.1 操作系统是什么？

操作系统是一个用户与电脑硬件之间交流的媒介。
电脑进行计算时的主要目的是用户使用软件，操作系统简化并管理了应用软件运行时候的有效性与复杂度。
首先要了解电脑的组成部分：

• 硬件：Hardware。如CPU，I/O设备，内存。作用：提供基础计算资源。
• 操作系统：Operating System。 管理者，但本身不做什么。作用：控制并指挥应用软件使用硬件资源达到效果。
• 应用软件：Application Programs。作用：解决用户使用需求。
• 用户：Users。人，机器，其他电脑。
  这几者的逻辑关系如下图：
  

1.2 操作系统视角

1.2.1 用户视角

对用户来说电脑分各种不同的应用，不同电脑各有所长。例如个人PC追求效率和便携行，但对资源使用不是很在意。大型工作站强调资源使用率。手持电脑，如手机等便携优先，同时还在意续航等节能问题，要求其能够有效利用资源。

1.2.2 操作系统视角

从计算机的角度看，基本有如下三种视角：

资源分配器（Resource allocator）

分配软硬件资源，达到有效管理。

控制程序（Control program）

控制用户程序和I/O设备执行。

内核 (Kernel)

总是在运行的内核程序。

1.3 操作系统的角色

裁判（Referee）

• 资源分配：假定有无限循环的程序，如果其直接运行于硬件，用户无法将其强制退出；而运行于OS之上，不影响其他程序同时运行。
• 隔离：一个错误不会影响别的程序照常运行。
• 沟通：沟通用户和应用。

幻术师（Illusionist）

• 提供硬件的高层界面，取消硬件限制。
• OS提供无限的内存和CPU，使软件自由运行。

粘合剂（Glue）

• 提供interface
• 减少软件开发成本

例如：在一个文件系统中：裁判角色防止用户未经许可接触彼此的文件；幻术师角色承诺文件可以无限大，假定存储时机器崩溃，文件仍然存在；粘合剂提供界面。

1.4 操作系统的目的

• 简化应用执行。
• 提高硬件使用效率。
• 使应用全面化，便携化
• 隔离不同程序。
• 提高系统总体可靠性。

2. I/O设备

I/O设备和CPU同时执行。每一个设备控制器都管理一种设备类型，每个Controller都有一个本地缓存Buffer，信息从I设备流入Buffer再进入CPU，CPU把主存内容移动到Buffer在进入O设备。

2.1 中断（Interrupt）

Interrupt Service Routine: 一段决定行动/中断的代码（AKA Interrupt Handler）。Interrupt把控制传给ISR。

中断种类：

• 轮询（Polling）：轮询全部设备以来查看是哪个中断了。
• Interrupt Vector Table：中断向量表：不同的中断执行不同的ISR。

Interrupt Handling

OS保存CPU的状态，即保存register和PC，即为中断的指令的地址。
如CPU在处理一个中断时产生了新的中断，将出现如下三种情况：

• 新中断在另一中断被处理时，可被禁用。此情况下新中断可能：
  
  • 被丢失
  • 被缓存
• 新中断可能被软件所无视（Masked）
• 新中断可被送达（嵌合中断）

DMA

直接记忆体存取，AKA DMA（Direct Memory Access）。大多用于所有文件传输的I/O设备（以减少对CPU的负荷）。原理为设备控制器直接把缓存的信息传给主存，无需CPU介入。设备控制器在I/O成功时打断CPU。
在为需要大块数据移动的I/O设备设置好缓冲，指针和计数器后，无需CPU干预，数据成块传送，每块只产生一个中断而不用每个字节产生一个中断。

3. 进程

进程是一个拥有有限权利的软件对象。其权利包含：

• 定址空间（Address space）：该进程可接触的内存部分。
• 系统调用（System Call）

4. 保护

保护规定了如何限制进程的权利。
进程不可以执行全部的指令，原因包含而不局限于：
- 可能导致改变系统结构（Can alter system configuration）
- 可能导致接触未经授权的内存（Can access unauthorized memory）
- 可能导致接触未经授权的I/O（Can access unauthorized I/O）

4.1 保护措施

4.1.1 双重模式运作（Dual-mode operation）

提供了计算机两种操作模式：用户模式（User mode）和系统模式（Kernel mode）。硬件系统添加了一位模式位（Mode bit）。UM为0，KM为1.
规定了特权指令（Privileged instructions），特权指令只能在KM执行。
当trap或interrupt出现时，硬件切换为KM。

4.1.2 CPU保护--定时器Timer

定时器在超时时产生一个interrupt。为一个定义好的时间，随着时间流逝慢慢减少的参数。也可用于计算当前系统时间。对Timer的编程属于特权指令，必须在KM内执行。

4.1.3 内存保护

当进程运行时，仅有在此进程权利内的内存可以被其接触并使用。
在KM运行时，内核对所有内存均有权访问。

Base and Bounds method

设置两个register来保存内存相关的信息：
- Base Register：保存此进程的最低访问内存编号。
- Limit register：保存此进程最大内存范围。
超出部分即为保护部分。任何对Base和Limit的load都属于特权指令。

4.1.4 I/O保护

所有I/O指令都属于特权指令。
所以，用户只能通过系统调用（System Call）执行I/O操作。

概念：System Call

系统操作：一种进程向系统做请求的方法。

用户指令可以使用SysCall，从而引发一个Trap。切换到KM进行操作。
是用户应用（Application）和操作系统（OS）的Interface。应用使用assembly instruction来引发trap从而进入内核。一些高级语言为这些assembly instruction（SysCall）提供包装（Wrapper）。SysCall在应用和OS之间通过register和memory传送参数。

4. 系统服务或系统程序

目的是提供程序执行和开发的便利环境。

指令编译器（Command Interpreter System）

输入到OS的指令由指令声明执行。CIS会得到一条条的指令并且执行。读取和解释Control statements的程序也叫Command-line Interpreter，shell（UNIX里）。

5. 存储结构

主存

只能由CPU直接接触的大容量存储。

次要存储

有大量的非易失内存。如磁盘。

5.1 存储层次

存储系统是有严格规整层次的。层次的基准为：

• 速度
• 价格
• 易失性

缓存：把低速存储器的信息复制到告诉存储器的过程。主存可看作次要存储的上级存储器。

6. 操作系统

集成式核心（Monolithic OS）

有一个大的，有许多组成部分的内核。（如Linux，Windows）

微内核（Microkernel OS）

微内核把内核中信息移动到用户空间。在内核层次只运行小的OS，OS服务建立在很多独立的用户层面进程中。
由message passing沟通不同modules。