【清华大学】操作系统陈渝 Part 1 —— 操作系统概述

约定不等于承诺〃 2023-07-17 03:00 91阅读 0赞

### 文章目录 ###

*  1.1课程概述
 *  1.2什么是操作系统
 *   *  从功能角度看什么是操作系统
     *  操作系统层次架构
     *  硬件资源管理
     *  操作系统内核的特征
 *  1.3为什么学习操作系统
 *   *  操作系统的挑战性
     *  操作系统领域
 *  1.4如何学习操作系统
 *  1.5操作系统实例
 *  1.6操作系统的历史
 *  1.7操作系统结构

# 1.1课程概述 #

*  课程简介  
    什么是操作系统  
    为什么学习以及如何学习操作系统  
    操作系统的实例，历史和结构介绍
 *  本课程涉及：
 *  操作系统基本概念和原理
 *  操作系统介绍
 *  中断及系统调用
 *  内存管理
 *  进程及线程
 *  调度
 *  同步
 *  文件系统
 *  I/O子系统
 *  练习：在uCore操作系统上做实验
 *  操作系统实验：  
    实验0：准备（搭建操作系统，搭建过程）  
    实验1：系统启动及中断  
    实验2：物理内存管理  
    实验3：虚拟内存管理  
    实验4：内核线程管理  
    实验5：用户进程管理  
    实验6：CPU调度  
    实验7：同步与互斥（协调资源，提高利用率）  
    实验8：文件系统
 *  预备知识：  
    计算机结构原理（Intel 80386+）  
    数据结构  
    C和汇编语言

# 1.2什么是操作系统 #

## 从功能角度看什么是操作系统 ##

第一，具有控制功能

*  用户角度：操作系统是一个控制程序，可以控制软件
 *  管理应用程序
 *  为应用程序提供服务：I/O服务，声音，网卡服务
 *  杀死应用程序

第二，具有管理功能

*  资源管理
 *  管理外设，分配资源：使得不同时刻分配不同资源，均匀分配

## 操作系统层次架构 ##

操作系统位置：于 硬件之上，应用程序之下

操作系统是一个中间层的软件  
![在这里插入图片描述][20200319123852395.png]  
操作系统是一个应用软件，管理硬件，上层有统一接口(例如图形界面Shell)，方便管理。

而操作系统内部核心是：Kernel

## 硬件资源管理 ##

*  CPU：CPU调度，进程和线程管理
 *  内存：物理内存管理，虚拟内存管理（为上层提供一个更大的虚拟环境）
 *  磁盘（闪存）：文件系统管理（访问非常底层，不方便用户和应用程序存储数据，因此在上面抽象出了文件系统，以文件的形式提供访问，存储的环境）
 *  底层硬件：中断处理与设备驱动

## 操作系统内核的特征 ##

***并发***  
计算机系统可以同时运行多个程序。一段时间内有多个程序可以同时运行，需要OS管理和调度。不同于并行，并行是同一个时间点有多个程序可以同时运行，需要多个CPU，提供并行性，必须多个CPU。  
***共享***  
有“同时”和“互斥”共享。有限的资源可以提供给多个程序，但是内部中一个程序一个时间点只能访问一个内存单元。  
***虚拟化***  
操作系统直接面对硬件，把CPU虚拟化为进程，把磁盘虚拟化为文件，内存虚拟化为地址空间。利用多道程序设计技术，让每个用户都觉得有一个计算机专门为他服务。  
***异步***  
程序的执行取决于操作系统的调度。程序的执行不是一贯到底，而是走走停停，向前推进的速度不可预知。但只要运行环境相同，OS需要保证程序运行的结果也要相同。

# 1.3为什么学习操作系统 #

操作系统是一门综合课程。结合许多不同课程

*  程序设计语言
 *  数据结构
 *  算法
 *  计算机体系结构
 *  操作系统概念和原理，源代码
 *  技能
 *  操作系统的设计和实现（高手）

## 操作系统的挑战性 ##

操作系统是计算机研究的基础，和软件硬件都有关，还在研究,具有挑战性：

*  操作系统很大，代码量大，没有人会把OS方方面面都了解透
 *  实际操作系统很复杂，只看自己感兴趣的部分，或研究部分
 *  操作系统管理并发：并发导致有趣的编程挑战
 *  操作系统代码管理原始硬件：时间依赖行为，非法行为，硬件故障
 *  操作系统代码必须是可靠高效的：低耗CPU,内存，磁盘
 *  操作系统储蓄哦，就意味着机器出错：操作系统必须稳定
 *  操作系统是系统安全的基础

操作系统挑战性体现在哪些地方

课本上原理讲解的部分并不是现在操作系统的主要挑战，比如并发调度算法，I/O磁盘调度可以交给器件本身去完成了，进程调度这些调度算法之类的只是操作系统重要部分的一小部分，原理概念有的是老化的知识点，作为了解即可。

那么，我们需要站在更高的眼光上看待操作系统，因为它是一个大的系统。

*操作系统需要权衡*

*  空间与时间
 *  性能和可预测性
 *  公平和性能

*硬件方面，操作系统需要*

*  良好的硬件管理
 *  合理的资源分配
 *  例如：硬盘速度跟COU,内存相差很多，操作系统需要协调处理

## 操作系统领域 ##

工业界：微软，谷歌，Facework,苹果以OS为核心  
学术界：ACM,IEEE,USENIX,CFF（国内）  
顶级会议：SOSP（每两年）,USENIX（每两年）

# 1.4如何学习操作系统 #

实践，coding,动手  
关注实验，做实验

# 1.5操作系统实例 #

操作系统有很多，面向桌面的，面向服务器的（数据中心，气象），移动中断（手机）

*  UNIX（C语言）：改变了世界
 *  UNIX BSD
 *  Linux：很多操作系统都是基于它
 *  Windows

# 1.6操作系统的历史 #

操作系统的发展随着计算机硬件，应用需求的发展而发展

*  CPU越来越快，计算机速度得到提升
 *  内存越来越大，CPU执行多个程序，内存中可以放进多个程序，并发执行，减小I/O开销，速度提升
 *  操作系统可以批处理，流水调度（初步形态）
 *  多道程序设计
 *  中断
 *  分时系统（为了更好利用计算机资源）方便人机交互
 *  网络的快速发展，出现了分布式的操作系统

# 1.7操作系统结构 #

为什么操作系统使用C语言？  
C语言不分仪器，有好的移植性，而汇编语言需要在固定机器上，不具备可移植性。

*  微内核的设计：尽可能把内核功能移动到用户空间。比如中断处理，消息传递放在内核里，文件系统，内存管理等放在外围以程序，服务形式存在，松耦合的架构，而不是通过函数调用的紧耦合方式。  
    ![在这里插入图片描述][20200319185919791.png]  
    这样的代价就是性能降低，因为多次拷贝的开销远远超过函数调用。所以产业上很少采用
 *  学术界存在另一种更加极端的架构，“外核”  
    ![在这里插入图片描述][20200319190254436.png]
 *  虚拟机VMs：一台物理机可以虚拟出多个操作系统  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2tla2VfTWVtb3J5_size_16_color_FFFFFF_t_70]  
    VMM虚拟出的是一个完整的计算机  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2tla2VfTWVtb3J5_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]

[20200319123852395.png]: /images/20230528/6669602ab16a4b3f9c0cbca21b39015a.png
[20200319185919791.png]: /images/20230528/2479f52d2bad4df096a458ccff9ab530.png
[20200319190254436.png]: /images/20230528/2550ad0a147f4033b5e5677e76679ddb.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2tla2VfTWVtb3J5_size_16_color_FFFFFF_t_70]: /images/20230528/2681f9aec532474a8c5b2ab71360fbc0.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2tla2VfTWVtb3J5_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]: /images/20230528/25b1944cc72f403fb216f0bb573d5bd9.png