计算机系统

计算机系统由硬件和软件两部分组成。

  • 硬件：包括 CPU、内存、外存及各种外部设备
  • 软件：用于管理硬件资源并完成具体任务，主要包括：
    • 系统软件：操作系统，编译汇编程序
    • 支撑软件：数据库管理系统和开发工具。
    • 应用软件：面向实际需求编制的程序，直接为用户完成特定应用功能。

操作系统概念

用户观点

从用户角度看，操作系统是用户与计算机硬件之间的接口。

  • 命令接口：允许用户通过命令直接向计算机发出操作请求，如启动程序、管理文件等。
  • 程序接口：为应用程序提供一组系统调用，使程序能够间接使用计算机硬件资源。

资源管理观点

从资源管理角度看，操作系统是计算机系统资源的管理者。

  • 处理器资源：进行进程管理与调度，合理分配 CPU 使用时间。
  • 存储器资源：进行内存管理，负责内存的分配、回收与保护。
  • I/O设备资源：进行设备管理，协调和控制各类 I/O 设备的使用。
  • 外存资源：进行文件管理，实现数据的存储、组织和访问。

虚拟机观点

从虚拟机观点看，操作系统在裸机硬件之上构造了一台功能更强、使用更方便的扩展机器（虚拟机）。

操作系统通过对硬件资源的封装与抽象，向用户和应用程序提供统一、简化的使用接口，使用户无需直接操作复杂的硬件细节即可使用计算机系统。

操作系统发展

初期阶段

手工操作阶段

用纸带卡片进行打孔输入输出

脱机I/O技术

减少主机CPU空闲时间，提高IO速度

单道批处理系统

  • 作业的概念：作业=程序+数据+作业说明书

作业说明书用于向操作系统描述作业的控制信息，如所需资源、输入输出方式及执行要求。

  • 基本原理

系统将多个作业预先输入到外存中，由监控程序按顺序自动将作业装入内存并依次执行。

  • 单道批处理系统的性能分析

由于内存中始终只保留一个作业，CPU 在作业进行 I/O 操作时往往处于空闲状态，系统资源利用率较低。

操作系统的形成

多道批处理系统（提高系统吞吐量和资源利用率）

通过在内存中同时存放多个作业，使用例如I/O 与 CPU 计算的并行等，多种系统资源的重叠利用来实现作业之间的交替执行，从而提高 CPU 利用率和系统吞吐量。但CPU在一个时间只能操作一个作业，通过操作系统调度器自行决定。

  • 缺点：用户只能事先提交作业，运行过程中无法与程序进行交互，出错往往要等整个作业结束后才能发现。

分时系统（提高用户交互性和响应速度）

时间片是一个终端用户作业能连续使用 CPU 的最长时间。

将 CPU 时间划分为若干时间片，轮流分配给多个用户或进程，使用户获得良好的交互体验。

用户体验上任务是连续的，实际上是CPU快速在多个任务之间跳转。

强调资源共享，用户交互

实时系统（满足时间约束和确定性响应）

以满足严格的时间约束为首要目标，要求系统对外部事件在规定时限内作出确定性的响应。例如火星车空间站

操作系统的成熟

微机操作系统

主要运行在个人计算机上，面向终端用户

  • 单用户单任务：MS-DOS
  • 单用户多任务：Windows，macOS（单用户使用场景下）
  • 多用户多任务：Unix，Linux

网络操作系统

以网络为核心，为多台计算机提供资源共享与通信服务的操作系统。配置在网络中用于管理网络通信和共享资源,协调各计算机上任务的运行，并向用户提供统一的、有效方便的网络接口的程序集合。

多个独立计算机，无公共内存，具备消息通信机制

分布式系统

管理多个通过网络连接的计算机，使其在用户看来像一台统一的计算机系统。

用户感知的是一个整体系统，有一个分布式操作系统对资源进行全局和动态管理控制，系统和资源对用户是透明的。

可扩展性，增加性能，高可靠性

嵌入式操作系统

运行在嵌入式设备中，为特定功能服务的操作系统

Android，IOS，黑莓，pSOS，QNX，LynxOS

操作系统内核结构

整体式结构

将操作系统的主要功能模块（进程管理、存储管理、文件系统、设备驱动等）统一集成在一个内核空间中运行。每个过程都有接口定义，可以互相调用。接口简单效率高。

缺点：没有模块独立性，难以维护

实例：MS-DOS、Linux、传统 Unix

模块化结构

在整体式内核基础上，将内核划分为若干相对独立的模块，支持按需加载和卸载。模块之间可以任意调用。

缺点：模块关系复杂，OS结构不清晰

实例：Choices系统，Linux（Loadable Kernel Modules）

层次结构模型

将操作系统划分为若干层次，每一层只能调用其下一层提供的服务。每一层之间的模块只能单向调用。 缺点：系统开销增加导致效率降低

实例：THE 操作系统（Dijkstra 提出），Unix

微内核结构模型

将内核功能最小化，仅保留最基本机制，如：

  • 进程/线程管理
  • 地址空间管理（低级存储器管理）
  • 中断和陷入处理
  • 进程间通信（IPC）

其它核心：其余服务（文件系统、设备驱动等）运行在用户态

特点：内核精简，服务以用户进程形式存在，依赖消息传递进行通信

缺点：IPC开销大，性能低于整体式内核

例子：Mach，Minix，QNX，win NT，鸿蒙

中断

中断的基本概念

在程序运行过程中，当系统外部、系统内部或当前运行程序本身出现紧急事件时，处理器会暂停当前程序的执行，自动转入相应的中断服务程序（ISR）进行处理； 待事件处理完毕后，再返回被中断的程序继续执行。 这一完整过程称为中断处理。

采用中断系统的主要目的

现代计算机引入中断机制，主要是为了：

  1. 提高系统效率

    协调 CPU 与外设之间速度不匹配的问题，避免处理器空等。

  2. 保证系统可靠运行

    当发生越界访问、非法操作等异常时，及时中断并采取保护措施。

  3. 满足实时处理需求

    在实时系统中，处理器可随时响应外部设备的随机中断请求。

  4. 提供故障处理与现场保护手段

    一旦检测到硬件或系统错误，立即中断并记录现场，为后续处理提供依据。

中断与异常的基本分类

中断会改变 CPU 的指令执行顺序，通常与 CPU 内部或外部硬件信号有关。

从 产生方式和时序特性 看，可分为两大类：

  • 中断（Interrupt）：

    一般是异步的，由外部事件触发，与当前执行指令无关。

  • 异常（Exception）：

    一般是同步的，在执行特定指令或出现错误时由 CPU 产生。

中断的进一步分类

按是否可屏蔽分类

  • 可屏蔽中断：可由程序控制是否响应，屏蔽时 CPU 忽略中断请求，I/O 设备中断通常属于可屏蔽中断
  • 非屏蔽中断：不能被程序屏蔽，必须立即处理，数量少、紧急性高，例如：断电、电源故障等

按中断源分类

硬件中断

  • 外部中断：由外部设备产生，如键盘中断、定时器中断、磁盘中断等，是异步的
  • 内部中断：由硬件故障或运算异常引起，如除零、溢出、掉电等，是不可屏蔽的

软件中断

  • 并非真正由硬件触发
  • 由程序执行特定指令产生
  • 常用于用户态向内核态切换，实现系统调用

3. 按中断的主动性分类

  • 自愿性中断（访管中断）：用户程序主动请求操作系统服务，如 I/O 操作、进程创建、内存分配等。
  • 程序中断：程序执行过程中出现异常或紧急情况，CPU 被动中断当前程序并处理。例如非法指令，越界等问题

异常的分类（重点）

异常是由 CPU 在执行指令过程中检测到的同步事件。

处理器探测异常

根据异常发生时 EIP 保存的地址不同，分为三类：

故障（Fault）

  • EIP 指向引发异常的指令
  • 异常处理结束后，该指令可能重新执行
  • 例：缺页异常

陷阱（Trap）

  • EIP 指向下一条指令
  • 不需要重新执行当前指令
  • 常用于调试（断点、单步执行）

异常中止（Abort）

  • 严重错误，无法确定出错指令位置
  • 通常导致进程被强制终止
  • 例：硬件故障、系统表损坏

编程异常（软中断）

  • 由程序员显式触发
  • 使用 int、int3、into、bound 等指令
  • CPU 将其作为陷阱处理
  • 主要用途：
    • 执行系统调用
    • 向调试程序报告特定事件