操作系统就是位于计算机用户与计算机硬件之间的一个大型程序，可以更好的管理计算机的硬件，方便计算机用户。

1、操作系统的概念

可以说操作系统的定义有很多，花里胡哨，五花八门。但是有一个比较公认的定义：操作系统就是一直运行在计算机上的程序，也就是内核kernel。此种情况系统程序不包括在操作系统的概念之中。

操作系统的启动：在电脑一上电，首先运行的不是操作系统，而是初始程序BIOS引导程序，初始化各种硬件设备，然后引导程序将操作系统加载到内存中，然后跳转到操作系统的代码执行，然后出现系统的首个进程init（Linux中的首个进程），从此操作系统开始为系统和用户提供服务。

操作系统中事件的发生通常用中断来实现，硬件中断触发之后进入中断向量表中执行对应操作，执行相应的中断服务程序。

2、处理器的结构及IO编址

这里说的处理器的结构是说冯诺依曼结构和哈佛结构。
冯诺依曼结构：数据和程序都放在内存中，放在一起。Intel就是这样的，也就是我们的电脑
哈佛结构：程序和数据分开放，大部分的单片机好像都是这样的。
看到别人的博客，说是还有混合结构的，二者混合，比如我们现在手机中的ARM芯片。
芯片内部的Dcache用来缓存部分代码，icache用来缓存部分数据。只有需要改变时，cache才会到RAM中加载新的数据。所以大部分时间CPU都是通过哈佛结构和cache（高速缓存）通讯，这个速度是非常快的这样在芯片外部，利用冯诺依曼结构，节省了外部的PCB走线资源。在芯片内部，利用哈佛结构提高了CPU访问数据的速度。

在处理器中有内存和外设相关的硬件，我们可以通过地址来访问并操纵他们。不同的处理器设置不同，分为统一编址和独立编址。
统一编址：内存和IO设备共用相同的地址，IO设备占用内存的地址空间，以让总线访问，操作的汇编指令也相同。
独立编址：内存的地址和IO的地址不一样，要用不同的汇编指令来访问

3、用户空间和内核空间

用户应用程序运行在用户空间，操作系统运行在内核空间。内核空间可以实现一些涉及系统安全和危险的操作，不能让用户程序拥有这么强大的功能，因此才有了用户空间和内核空间，当程序要切换到内核时，就要切换到内核空间，用户空间亦如此。

4、操作系统的结构

操作系统的内核很大，很难管理，所以现在基本有两种内核的结构，就是宏内核（又叫单内核）和微内核

宏内核

将内核从整体上作为一个大过程实现，并同时运行在一个单独的地址空间。所有的内核服务都在一个地址空间运行，相互之间直接调用函数，简单高效。Linux就是宏内核的。

微内核

微内核说白了就是从内核中删除所有不必要的部件，只留下最重要的部分，其余的都放到用户模式下，放在用户空间中实现。比如内核只含有内存管理和进程调度的功能，驱动部分的代码全部都放到用户空间去。微内核的模块化很好，但是效率低，因为调用驱动部分代码还要切换到用户空间执行。Windows NT时微内核的，但是现在的Windows已经很像基本就是宏内核的了。

5、CPU的态(Mode)

CPU态

CPU的工作状态

对资源和指令使用权限的描述

态的分类

核态

• 能够访问所有资源和执行所有指令
• 管理程序/OS内核

用户态

• 仅能够访问部分资源，其他资源受限
• 用户程序

管态

• 介于核态核用户态之间

用户态和核态之间的转换

用户态向核态转换

• 用户请求OS提供服务
• 发生中断
• 用户进程产生错误
• 用户态企图执行特权指令

核态向用户态转换的情形

• 一般是执行中断返回：IRET

硬件和OS对CPU的观察

• 硬件按“态”来区分CPU的态
• OS按进程来区分CPU的态

6、中断机制

外部中断

内部中断

中断处理流程

7、实模式和保护模式

实模式

• 程序按照8086寻址方法访问0h-FFFFFh(1M)空间
• 寻址方式：物理地址(20位) = 段地址：偏移地址
• CPU单任务运行

保护模式

• 寻址方式：段(32位)和偏移量(32位)，寻址4G空间
• 段页式寻址机制
• 虚拟地址、进程、封闭空间
• 应用程序和操作系统的运行环境都被保护
• CPU支持多任务

8、BIOS

BIOS 固件(Basic I/O System) FIrmware

实模式存取的1M空间

前面640K ：基本内存

中间128K ：显卡内存

末尾256K ：BIOS

末尾256K还可以细分

C0000--C7FFF：显示卡BIOS

C8000--CBFFF：IDE控制器BIOS

F0000 --FFFFF：系统BIOS

BIOS功能

• 系统启动配置
• 基本的设备I/O服务
• 系统的加电自检和启动

当电脑按下PowerOn或者Reset键执行第一条指令

• 执行FFFF0处的指令

  • 指令内容为JUMP POST；跳转到加电自检这部分，POST位于系统BIOS内部
• 查找显卡BIOS，调用显卡BIOS
• 依次查找其他设备执行相应设备的BIOS
• 显示启动画面
• 从硬盘/软盘/等读入OS

9、主启动记录MBR

在Linux0.11中使用的还是软盘的时候，在第一扇区存放的是bootsect.S，用来启动操作系统，现在软盘已经被废弃，都使用硬盘，所以现在都是使用Grub等方式来启动系统

在0.11系统中MBR的内容就是bootsect.S，现在的MBR中的内容一般用的都是Grub

• 存放在硬盘的首扇区
• 存放和OS启动的相关信息
• 多操作系统的启动管理
• 512BYTES
• 结束存放的字符是0xAA55h

功能

• 提供菜单，让用户选择不同的启动项
• 加载核心文件：直接指向可启动区加载操作系统
• 跳转：将启动管理功能转交给其他loader

去掉MBR分区后，别的分区的起始部分叫分区启动扇区：BootLoader，PBR

10、现代系统启动的流程

• 上电后从FFFF0处的指令执行，到POST，到CMOS设置硬盘启动，读取MBR，将控制权交给MBR
• MBR读取分区表，找到其中活动分区，并确认其他分区都不是活动分区，MBR读取活动分区的第一个点扇区，并把它加载到内存中去。
• PBR（分区引导记录）继续控制后面的引导过程
• 根据相关参数，读取硬盘制定位置的文件到内存
• 加载硬盘上的OS内核，并初始化基本参数

• 核心初始化

  • 各种寄存器初始化
  • 存储系统和页表初始化
  • 核心进程构建
  • ……

• 系统初始化

  • 初始化文件系统
  • 初始化网络系统
  • 初始化控制台
  • 初始化图形界面
  • ……

1、内存管理功能

三级存储体系：CPU<->CACHE<-内存<-辅存(硬盘)

基本原理：

• 当内存太小不够用时，用辅存来支援内存
• 暂时不运行的模块换出到辅存上，必要时再换入内存

操作系统存储管理实现的功能

• 地址映射
• 虚拟存储
• 内存分配
• 存储保护

地址映射

• 把程序中的地址(虚拟地址/虚地址/逻辑地址)变换成内存的只是地址(实地址/逻辑地址)
• 地址重定位，地址重映射

方式：

• 固定地址映射：编程和编译时确定逻辑地址和物理地址的映射关系(程序指定)

  • 程序加载时必须存放在制定的内存区域
  • 容易产生地址冲突，运行失败

• 静态地址映射(操作系统完成)

  • 程序装入时由操作系统完成逻辑地址到物理地址的映射
  • 程序运行之前确定映射关系
  • 程序装入后不能移动

• 动态地址映射(页式和段式内存管理用的就是这种)

  • 程序执行过程中把逻辑地址转换为物理地址
  • 优点：程序占用的空间可以动态变化
  • 缺点：硬件支持需要MMU，软件复杂

虚拟存储

面向用户的虚拟封闭存储空间(0-4G),线性地址空间，和物理地址分离

虚拟存储解决的问题：

• 使得大的程序能在较小的内存中运行
• 使得多个程序能在较小的内存中运行
• 使得多个程序并发运行时地址不冲突
• 使得内存利用率高：无碎片，共享方便

内存分配

需要解决的问题

• 防止策略：程序调入内存时将其放在哪个内存区
• 调入策略：何时把要运行的代码和要访问的数据调入内存
• 淘汰策略：内存空间不够时，迁出/淘汰那些代码或数据以腾出内存

存储保护

保证在内存中的多道程序只能在给定的存储区域内活动并互不干扰

• 防止访问越界
• 防止访问越权

2、物理内存管理

分区内存管理

• 不分区（DOS）

• 分区管理

  • 固定分区：把内存固定分为若干个大小不等的分区供各个程序使用
  • 动态分区：存在内存碎片
  • 分区表：记录分区的位置、大小和使用标志

分区分配的原则

放置策略：

• 按空闲区位置递增排序：首次适应算法
• 按空闲区位置递减排序
• 按空闲区大小递增排序：最佳适应算法
• 按空闲区大小的递减排序：最坏适应算法

内存覆盖

在较小的内存空间中运行较大的程序

内存分区

• 常驻区
• 覆盖区

内存交换

内存不够时把进程写到磁盘，当进程要重新运行时，重新写回内存

3、虚拟内存管理

实际上现在的内存管理都是虚拟内存管理的

虚拟内存管理实现思路：

在程序运行时，只把当前必要的很小一部分代码和数据装入内存中。其余代码和数据需要时再装入。不再运行的代码和数据及时从内存中删除。

页式虚拟内存管理

把进程空间和内存空间划分成等大小的片

小片的典型大小：1K，2K或4K

进程的小片---页（虚拟页或页面）

内存的小片---页框（物理页）

进程以页装入内存，可以只转入一部分，页框不必相邻，

虚拟地址可以分解成页号和页内偏移地址

从虚拟地址得到物理地址

从虚拟地址得到物理地址方法：页式地址映射

过程三步：

• 1、从VA分离页号P和业内偏移W
• 2、查页表：以P为索引查页框号
• 3、计算物理地址MA

快表机制

• 慢表：页表放在内存中
• 快表：页表放在Cache中

页面共享

共享同一个页面，实现代码共享，防止占用内存过多

缺页中断

内存中没有要执行的代码，代码被放到了辅存中，这时就产生了缺页中断

淘汰算法

选择淘汰哪一页的规则称为淘汰策略

• 最佳算法（OPT）
• 先进先出淘汰算法（FIFO算法）
• 最久未使用淘汰算法（LRU算法）
• 最不经常使用算法（LFU）

5、段式内存管理

把进程按逻辑意义划分为多个段：数据段、代码段

以段为单位装入

现在都是段式和页式共同使用

版权属于：孟超

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