Chapter 0 : Introduction¶

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Computer System Firmware¶

计算机系统可以分为四个组成部分：

硬件——提供基本的计算资源：CPU、内存、输入/输出设备
操作系统：控制和协调硬件在各种应用和用户之间的使用
系统程序和应用程序——定义系统资源的使用方式，以解决用户的计算问题：文字处理器、编译器、网页浏览器、数据库系统、视频游戏
用户：人、机器、其他计算机

它们之间的关系主要如下图所示：

Operating System Definition¶

操作系统是一个充当计算机用户与计算机硬件之间中介的程序，它是资源分配者，管理所有资源，在相互冲突的请求之间进行决策，以实现高效和公平的资源使用；它也是控制程序，控制程序的执行，以防止错误和不当使用计算机
操作系统的目标：
- 执行用户程序，并使解决用户问题变得更容易
- 帮助计算机用户以高效的方式利用计算机硬件
“计算机上始终在运行的那个程序”就是内核（Kernel）。其他的要么是系统程序（随操作系统一起提供），要么是应用程序。

Computer Startup¶

在启动一个计算机时，通常会经过以下两步：

引导程序（Bootstrap Program）在开机或重启时加载
- 引导程序通常存储在只读存储器（ROM）或可擦可编程只读存储器（EPROM）中，一般称为固件（Firmware）
- 它初始化系统的各个方面，加载操作系统内核并开始执行
计算机系统开始运行
- 一个或多个 CPU，设备控制器通过共有总线连接，实现对共享内存的访问（如下图所示）
- CPU 与设备并发执行，争夺内存周期
- I/O 设备和 CPU 可以并发执行
- 每个设备控制器负责一种特定类型的设备
- 每个设备控制器都有一个本地缓冲区（Local Buffer）
- CPU 将数据从主存储器移动到本地缓冲区，或从本地缓冲区移动到主存储器
- I/O 操作是指从设备到控制器本地缓冲区的数据传输
- 设备控制器通过引发中断（通过系统总线）来通知 CPU 其操作已经完成
I/O Structure¶

在 I/O 开始后，只有当 I/O 完成时，控制权才会返回到用户程序。

等待指令会让 CPU 处于空闲状态，直到下一个中断发生
等待循环（会导致内存访问竞争）
一次最多只能有一个 I/O 请求处于未完成状态，无法同时进行多个 I/O 处理

在 I/O 开始后，控制权会立即返回给用户程序，而无需等待 I/O 完成

系统调用（System Call）——请求操作系统允许用户等待 I/O 完成
设备状态表（Device-Status Table）包含每个 I/O 设备的条目，显示其类型、地址和状态
操作系统通过索引 I/O 设备表来确定设备状态，并可修改表项以包含中断信息

I/O 主要有异步和同步两种方式，如下图所示：

Interrupt Handling¶

如果遇到了中断情况：

中断会将控制权转移到中断服务程序，通常是通过中断向量（Interrupt Vector），其中包含所有服务程序的地址
中断架构必须保存被中断指令的地址
当另一个中断正在处理时，会禁止新的中断进入，以防止丢失中断（Lost Interrupt）
陷阱（Trap）是由软件生成的中断，可能是由于错误（Error）或用户请求（User Request）（后者通常称为系统调用，System Call）引发的
一个操作系统是由中断驱动的（Interrupt Driven），操作系统通过寄存器（Registers）和程序计数器（Program Counter），来保护 CPU 的状态
要判断发生了哪种类型的中断：
- 通过通用例程轮询（Polling）
- 向量化中断系统（Vectored Interrupt System）
不同的代码片段决定了针对每种类型的中断应采取什么操作

Direct Memory Access Structure¶

用于能够以接近内存速度传输信息的高速 I/O 设备
设备控制器将数据块从缓冲存储区直接传输到主存，而无需 CPU 干预
每处理一个数据块只会产生一个中断，而不是每处理一个字节就产生一个中断

Operating System Structure¶

操作系统主要采取多程序设计（Multiprogramming），主要是为了提高效率（CPU 利用率）

单用户无法时刻让 CPU 和 I/O 设备都处于工作状态
多道程序设计将作业（代码和数据）组织起来，保证 CPU 始终有事情可做
系统中的部分作业被保存在内存中
通过作业调度（Job Scheduling）选择并运行一个作业
当一个作业需要等待（比如 I/O 操作）时，操作系统会切换到其它作业

一个多程序设计的操作系统内存分布如下图所示：

分时/多任务（Timesharing / Multitasking）是多道程序设计的逻辑扩展，CPU 在各作业间频繁切换，使得用户可以与正在运行的每个作业交互，实现交互式计算（Interactivity）。

响应时间（Response Time）应小于 1 秒
每个用户在内存中至少有一个正在执行的程序→进程（Process）
如果有多个作业同时准备就绪运行→需要 CPU 调度（CPU Scheduling）
如果进程装不下内存，交换（Swapping）可以将它们调进调出以运行
虚拟内存（Virtual Memory）允许进程在未完全装入内存的情况下执行

Operating System Operations¶

在操作系统中可能会出现很多问题：

中断：由硬件驱动
软件错误或请求：产生异常（Exception）或陷阱（Trap）
- 比如除零错误、请求操作系统服务
其他进程问题：包括无限循环（Infinite Loop）、进程相互修改（Modifying）或修改操作系统

因此我们需要保护措施，双模式操作（Dual-mode Operation）允许操作系统保护自身及其他系统组件

用户模式（User Mode）和内核模式（Kernel Mode）
硬件提供模式位（Mode Bit）
- 能够区分系统是在运行用户代码还是内核代码
- 有些指令被指定为特权指令（Privileged），只能在内核模式下执行
- 系统调用会切换到内核模式，调用返回时再设为用户模式
定时器用于防止无限循环或进程占用资源
- 在特定时间后设置中断
- 操作系统减少计数器的值
- 当计数器为零时产生中断
- 在调度进程之前设置好，以便操作系统能够重新获得控制权或终止超时的程序

Process Management¶

进程是正在运行的程序。它是系统中工作的基本单位。程序是“静态实体（Passive Entity）”，而进程是“活动实体（Active Entity）”

进程完成任务需要资源，在终止时需要回收任何可重用的资源：

CPU、内存、I/O、文件
初始化数据

单线程进程有一个程序计数器（Program Counter），指明下一条将要执行的指令的位置，进程按顺序执行指令，每次一条，直到执行完成；多线程进程每个线程都拥有自己的程序计数器

通常系统会有许多进程，一些是用户进程，一些是操作系统进程，它们可以通过在不同进程/线程之间复用 CPU 实现并发运行

操作系统在进程管理方面负责以下活动：

创建和删除用户进程和系统进程
挂起和恢复进程
为进程同步提供机制
为进程通信提供机制
为死锁处理提供机制

Memory Management¶

所有数据在处理之前和之后都必须在内存中，所有指令必须在内存中才能执行，内存管理决定何时哪些内容在内存中，以优化 CPU 利用率和提升计算机对用户的响应速度。

内存管理的具体活动包括：

跟踪当前哪些内存区域正在被使用，以及由谁使用
决定哪些进程（或其部分）以及数据需要被调入或移出内存
按需分配和释放内存空间

Storage Management¶

操作系统为信息存储提供统一、逻辑化的视图：

将物理属性抽象为逻辑存储单元——文件
每种介质由设备控制（如磁盘驱动器、磁带驱动器）
- 不同设备属性包括：访问速度、容量、数据传输速率、访问方式（顺序或随机）

文件系统管理：

文件通常被组织到目录中
大多数系统对访问权限进行控制，以决定谁可以访问哪些内容
操作系统的相关活动包括：
- 创建和删除文件及目录
- 提供操作文件和目录的基本操作
- 将文件映射到二级存储
- 将文件备份到稳定（非易失性）存储介质

Mass-Storage Management¶

通常，磁盘用于存储无法放入主存的数据，或者需要长期保存的数据,妥善的管理至关重要。整台计算机的运行速度取决于磁盘子系统及其算法。

操作系统的相关活动包括：

空闲空间管理
存储分配
磁盘调度

有些存储不需要很快：

第三层存储包括光存储、磁带等
这些存储也必须进行管理
存储类型包括一次写入、多次读取（WORM）及可读写（RW）

I/O Subsystem¶

操作系统的一个目的就是将硬件设备的特殊性隐藏起来，使用户更容易使用和编程。

I/O 子系统负责：

I/O 的内存管理，包括缓冲（在数据传输过程中临时存储数据）、缓存（为提高性能将部分数据存储在更快的存储介质中）、假脱机（一个作业的输出与其他作业的输入重叠）
通用设备驱动接口
针对具体硬件设备的驱动程序

Protection and Security¶

防护（Protection）：控制进程或用户对操作系统定义资源访问的任何机制
安全（Security）：防御系统免受内部和外部攻击
- 范围广泛，包括拒绝服务、蠕虫、病毒、身份盗窃、服务盗用等。
系统通常首先区分不同用户，以决定谁可以做什么：
- 用户身份（用户 ID，安全 ID）：包括用户名和关联编号，每个用户唯一一个
- 用户 ID 随后与该用户的所有文件、进程等资源关联，以确定访问控制
- 组标识符（组 ID）：允许定义用户组并进行权限控制，也与各个进程、文件关联
- 权限提升：允许用户切换为具有更多权限的有效 ID

Computing Environments¶

Traditional Computer¶

随着时间推移，界限变得模糊
办公环境
- 个人电脑连接到网络，终端接入主机或小型计算机，提供批处理和分时服务
- 现在通过门户网站，使联网和远程系统能够访问相同的资源
家庭网络
- 过去是单一系统，后来有了调制解调器
- 现在有防火墙并实现了网络化

Client-Server Computing¶

愚蠢终端被智能个人电脑取代
现在许多系统都是服务器，响应客户端发出的请求
- 计算服务器：为客户端提供一个接口以请求服务（如数据库）
- 文件服务器：为客户端提供存储和检索文件的接口

Peer-to-Peer Computing¶

点对点计算是另一种分布式系统模型，它不区分客户端和服务器：

所有节点都被视为对等体
每个节点可以作为客户端、服务器或两者同时存在
节点必须加入P2P网络
- 可将其服务注册到网络上的中心查找服务
- 也可以通过发现协议广播服务请求并响应其他节点的服务请求
典型例子包括 Napster 和 Gnutella

Web-Based Computing¶

网络已经变得无处不在
个人电脑是最普及的设备
越来越多的设备实现联网以允许访问网络
出现了新类型的设备，用于在多个相似服务器之间管理网络流量：负载均衡器
操作系统的使用也经过了变化，比如 Windows 95（客户端），发展到现在的 Linux 和 Windows XP，这些操作系统既可以作为客户端，也可以作为服务器

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