OS_操作系统的运行环境

2024.06.11:操作系统的运行环境学习笔记

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3.1 操作系统引导

从开机到操作系统加载到主存中，过程是怎么样的

电脑主板

• 计算机启动时，首先进行电源自我检查，确保所有的硬件设备都正常，并且准备就绪
  
• 准备就绪后，计算机就会从主板的ROM区去激活一个BIOS程序，这个程序会负责初始化硬件，进一步进行硬件自检

大家做题的时候，题目问你主存是由什么样的存储器组成的？见招拆招，看情况

• RAM （大部分）
• RAM+ROM：题干把存放BIOS这个程序的这个ROM去给它并到主存里面了

• 硬件自检没有问题之后，这个BIOS就会从硬盘，也就是磁盘，它的主引导记录MBR中去读取引导程序
  

BIOS程序读取硬盘0号扇区的主引导记录MBR，MBR包括（磁盘引导程序）和（分区表信息）

• 磁盘会被分成好几个区，（分区表信息）就是用来记录这个区的，我们的电脑里面系统分区最常见的这个C盘，C盘里面不仅有我们下载的这些数据，更多的是一些系统的文件，这个东西我们会把它叫做（系统分区）

• 假设我们要去启动windows的话，我们会根据MBR里面的磁盘引导程序去读取系统盘的第一个扇区（0号扇区），也就是分区表里面告诉我们windows所在的这个系统分区，它的盘是C盘。
• 我们就会根据这个起始地址找到C盘，然后通过MBR里面的磁盘引导程序去启动这个盘的第一个扇区。
• 这个盘的第一个扇区，又叫做（分区引导记录PBR），它里面会存储windows这个操作系统它的引导程序，这个引导程序会帮助你找到操作系统的内核，从而你就可以把内核调到内存了

• 我们最终的结果就是将一个操作系统它的内核部分调入到了主存中，并且让它常驻主存。这样就可以让以后的用户直接使用这样的操作系统。
• 注意操作系统并不是一整个全部调入到了内存引导的过程中，我们只是把内核部分调入到了内存。
• 这个过程中，也请大家去注意区别MBR和PBR，MBR是磁盘的0号扇区，也就是第一个扇区里面的内容，它叫做主引导记录，它里面有磁盘引导程序和分区表信息。根据分区表，你可以找到一个系统分区，这个系统分区里面的第一个扇区就是0号扇区，它会存放分区引导记录，这个里面存放的是这个操作系统的引导程序，其实也就是几段代码，把它调入到主存里面，它就会告诉你这个内核它的位置在哪里

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3.2 操作系统内核

定义：操作系统中与硬件紧密相关的模块，负责管理系统的各种资源

注意：只有内核从引导开始，就一直在内存的某一个空间常驻，这个空间我们把它叫做（内核空间），而主存的其他部分我们把它叫做（用户空间）

3.2.1 内核资源管理

进程管理、存储器管理、设备管理都是由操作系统的内核代码去执行的

• 进程管理：确保操作系统可以高效、公平、安全地同时运行多个应用程序
• 存储器管理：确保有效、安全地分配管理计算机系统中的内存资源
• 设备管理：确保所有外围设备和硬件都能有效且安全地与计算机系统交互

3.2.2 内核基本功能

• 原语：在单个步骤中完成操作系统的基本构件；原语处于操作系统最底层，运行时不可以被打断；原语运行时长较短，调用频繁
• 中断处理：系统调用、键盘命令输入、进程调度、设备驱动等很多重要的活动都依赖于中断

操作系统是靠中断去驱动的。每一次去处理中断的时候呢，都是由操作系统的内核先对中断进行一个有限处理，然后转入相关的进程，这些进程会完成后续的一个处理工作

• 时钟管理：操作系统用来处理和控制时间和时间相关函数的机制

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3.3 CPU的双重工作模式

在引导操作系统的时候，这个内核部分会被加载到内存的内核空间，然后常驻到（操作系统内核）。内核空间以外的这些内存空间就是（用户空间）。

在访问用户空间和访问内核空间的时候，CPU其实是处于两种不同的工作模式的，那么由谁来代表当前的工作模式呢，计组里面学过，CPU内部有这样的一个寄存器PSW（状态字寄存器），它里面会有一个模式位，这个模式位会用来记录当前CPU的工作模式是怎么样的

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3.3.1 CPU处于用户态（目态）

CPU在用户态可以访问内存的用户空间

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3.3.2 CPU处于内核态（管态）

CPU只有在内核态可以访问内存的内核空间（内核空间其实放的就是操作系统的内核）

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3.4 特权指令&非特权指令

3.4.1 非特权指令

此时，应用程序里的所有指令都是非特权指令，非特权指令（不能直接访问）系统硬件和软件，非特权指令对内存的访问也只限于（用户空间）

所有应用程序里面的所有指令，它都是非特权指令

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3.4.2 特权指令

如果应用程序中出现特权指令，则硬件不会执行该指令，而是发出错误信号，操作系统捕捉到信号后会停止该进程的运行并转入（错误处理程序）

特权指令是在CPU内核态下才可以运行的一种指令，它对内存的访问是不受限制的

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3.5 系统调用

系统调用（system call）形如一组打包号的库函数，这些函数的功能需要由操作系统内核来实现，系统调用提供了（用户程序）和（操作系统内核）之间的（接口）。应用程序通过系统调用来获得操作系统的服务。

3.5.1 用户态到内核态

• 用户程序发起系统调用
• 发生中断，必须陷入内核态由OS内核处理中断
• 发生异常，必须陷入内核态由OS内核处理中断
• 用户程序试图执行特权指令

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3.5.2 内核态到用户态

• 设置程序状态字寄存器PSW中的CPU模式位，将其置为1

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3.5.3 系统调用的过程（CPU变态的过程）

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3.6 中断和异常的处理（现代OS是由中断驱动的）

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3.6.1 异常处理过程

• 异常触发

当程序执行中发生异常，CPU会自动检测并触发异常

• 保存上下文

与中断处理相似，CPU会保存当前的执行状态，包括程序计数器和寄存器值

• 执行异常处理程序

CPU查找异常向量表，根据异常类型跳转到相应异常处理程序处理

• 处理结果

根据异常的性质，处理程序可能会修正错误并允许程序继续执行，或终止程序返回错误信息

• 恢复或终止

如果异常可恢复，CPU将恢复之前的程序状态并继续执行；若不可恢复，终止程序并进行错误处理

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3.6.2 中断处理过程

• 触发中断

中断指由外部设备（键盘、鼠标等）发起，通常是设备完成任务或需要注意时触发

• 中断信号接收

CPU会在当前执行的指令完成后检测中断，暂停当前进程的执行

• 保存上下文

CPU会保存当前任务的状态，包括程序计数器和其他寄存器值（现场信息），以便中断处理完成后能恢复运行

• 执行中断服务程序

CPU根据中断向量表找到相应中断处理程序并执行

• 恢复上下文并返回

中断服务程序完成后，CPU恢复之前保存的程序状态，继续执行被中断的程序