操作系统复习.陈向群（00-02）（概述、中断异常）

Posted on Edited on In Views:
课程简介、操作系统概述、运行环境和运行机制

操作系统复习（00-02）

Chapter 00：课程简介

内容

  • 执行一个可执行文件的时候，操作系统做了什么？
1
2
3
4
#include <stdio.h> 
int main(int argc, char *argv[]) {
    puts("hello world"); return 0; 
}
  • 两种观点
    • 用户程序：OS 功能调用、返回
    • 进程调度：调度、返回
  • 操作系统的主要工作
    • 执行程序、个性（硬件相关）、共性、其他问题（性能、安全、健壮性等）

Chapter 01：操作系统概述

关键词

  • 操作系统定义、并发性、共享性、虚拟性、随机性、SPOOLing、多道程序设计、OS/360、MULTICS、典型操作系统

思考题

  • 一个应用程序的执行流程是怎样的？ 涉及到哪些功能模块？
  • 请问 Windows 操作系统中的设备驱动程序具体提 供了什么功能？有具体的例子吗？为什么说它不直接与硬件打交道？ 可不可以理解为设备驱动程序是建立在 HAL 之上的更高层的抽象，所以是通过HAL与硬件打交道 ？
  • 课件上 “UNIX操作系统”
    • 文件子系统与块设备之间的 Buffer Cache 的作用是什么？
    • 简要小结一下 Buffer Cache 的工作原理
  • UNIX 的名字来历的猜测
  • SPOOLing 技术过时了吗？
  • 传统的分时系统在今天有什么意义？

内容

  • Windows 架构、Unix 架构、Linux 架构、Android 架构

  • 层次：应用程序、系统功能调用、操作系统、计算机硬件

  • 操作系统是什么？

    • 系统软件

      软硬件资源管理（有效、合理）

    • 程序执行控制，对外提供服务

    • 用户方便使用

    • 机器的扩展

  • 设计与实现目标：抽象、模块化、性能、应用之间、隔离性、可靠性、节能、安全性、移动性

  • 什么是操作系统（不同角度）？

    • 作为软件来看的观点
    • 资源管理的观点
    • 进程的观点
    • 虚机器观点（分层结构）

  • 操作系统的特征：并发、共享、虚拟、随机

  • 操作系统发展史

    • 第1阶段 （1948 -1970 ）：硬件昂贵，人工便宜
      • SPOOLing（假脱机）
    • 第2阶段 （1970 -1985 ）：硬件便宜，人工昂贵
      • 第一个分时操作系统 CTSS
    • 第3阶段 （1981 -）：硬件非常便宜，人工昂贵
    • 第4阶段 （1981 -）：分布式
    • 第5阶段 （1995 -）：移动计算时代
    • 第6阶段 （2006 -）：云计算时代
    • 第7阶段 （200？ -）：泛在计算 / 普适计算 / 物联网

  • 操作系统分类

    • 批处理操作系统（多道）
    • 分时系统
    • 实时操作系统
      • 硬实时系统、软实时系统
    • 个人计算机操作系统
    • 网络操作系统
    • 分布式操作系统
    • 嵌入式操作系统

  • 操作系统的另一种分类（Tanenbaum）

    • 大型机操作系统
    • 服务器操作系统
    • 多处理机操作系统
    • 个人计算机操作系统
    • 实时操作系统
    • 嵌入式操作系统
    • 智能卡操作系统

Chapter 02：运行环境和运行机制

关键词

  • CPU 状态 (模式 )、特权指令、非特权指令、内核态/用户态、管态/目态、R0/R3、中断与异常、中断向量表、中断描述符、系统调用、机制与策略

思考题

  • 怎样理解 ”操作系统是由中断/异常/事件驱动的” 这句话？
  • 中断/异常的来源有什么不同？ 处理方式是一样的吗？
  • 中断/异常机制中，哪些是硬件(体系结构)负责的？ 哪些是软件(操作系统)负责的？
  • 从中断响应(硬件)到中断处理程序(软件)执行结束，计算机系统经过了哪些流程？
  • 操作系统初始化与中断/异常有哪些关联？
  • 怎样理解应用程序是如何与操作系统交互的？
  • 什么是软件异常？ 它是如何工作的？
  • X86 在 Peniuml1300 之后提供了 sysantcr/sysexit 指令，为什么？与int0x80/iret有什么不同？
  • 关于基于 x86 体系结构的 Linux 的系统调用实现:
    • 系统调用入口程序 system_ call() 与中断描述符表是什么关系？与系统调用表是什么关系？
    • 系统调用处理结束后，处理器转去执行哪个模块？
  • 系统调用与 C 函数调用的区别？

内容

CPU

  • CPU 与内存

  • 两类寄存器
    • 用户可见寄存器
      • 数据寄存器、地址寄存器、条件码寄存器
    • 控制和状态寄存器
      • 程序计数器（PC）、指令寄存器（IR）、程序状态字（PSW）
  • 内核态与用户态
  • 特权指令与非特权指令
  • x86 系列处理器
    • R0 \(\to\) R3：特权高 \(\to\) 低
  • CPU 状态之间的切换
    • 进入内核态：中断/异常/陷入机制
    • 返回用户态：设置程序状态字 PSW

中断机制

  • 中断与异常的引入原因
    • 中断的引入：为了支持 CPU 和设备之间的并行操作
    • 异常的引入：表示 CPU 执行指令时本身出现的问题
  • 中断与异常
类别 原因 异步/同步 返回行为
中断
Interrupt		 来自 I/O 设备、其他硬件部件 异步 总是返回到下一条指令
陷入
Trap		 有意识安排的 同步 返回到下一条指令
故障
Fault		 可恢复的错误 同步 返回到当前指令
终止
Abort		 不可恢复的错误 同步 不会返回
  • 中断/异常机制工作原理
    • 软硬件配合
  • 中断响应（中断硬件部件完成）
    • 在每条指令执行周期的最后时刻扫描中断寄存器，查看是否有中断信号
    • 若有中断，中断硬件将该中断触发器内容按规定编码送入 PSW 的相应位，称为中断码，通过交换中断向量引出中断处理程序
  • 中断向量与中断向量表

  • 中断处理程序
  • 中断/异常机制中软硬件分工
    • 以设备 IO 中断为例
IA32 体系结构对中断的支持
  • 中断控制器
  • 实模式（正常情况）：中断向量表
  • 保护模式（刚启动）：中断描述符表
  • 门描述符
  • IDTR 寄存器、GDTR 寄存器

  • 整个流程

存储系统

  • 容量、速度、成本
  • 寄存器、高速缓存、主存、磁盘
  • 局部性原理

I/O 访问技术

  • 程序控制方式
    • I/O 处理单元
    • CPU 定期轮询 I/O 单元的状态，直到处理完毕
  • 中断驱动方式
    • 每个数据需要传输时中断 CPU
    • I/O 操作与指令并行
  • 直接存储器存取（DMA）方式
    • 一批数据需要传输时中断 CPU
    • DMA 控制

时钟

  • 绝对时钟、相对时钟
  • 硬件时钟、软件时钟
x86 体系结构的定时硬件
  • 4 种定时硬件
    • 实时时钟（RTC）
    • 时间戳计数器（TSC）
    • 可编程间隔定时器（PIT）
    • SMP系统中的本地APIC定时器

系统调用

  • 系统调用、库函数、API、内核函数

  • 系统调用机制的设计
    • 利用中断/异常机制
  • 如何实现参数传递
    • 陷入指令自带参数
    • 通用寄存器
    • 专用堆栈区

内核的进入与退出