计算机系统概述

这是一篇关于计算机系统概述的思维导图，主要内容包括：虚拟机，OS引导，OS的概念与功能，OS的基本结构，系统调用，中断和异常，OS的运行机制，OS的发展与分类。

计算机系统概述

• OS的概念与功能
  • 概念
    • 管理硬件软件等计算机资源
    • 为上层用户、应用程序提供简单易用的服务
    • 一种系统软件
  • 功能和目标
    • 资源的管理者
      • 处理器
      • 存储器
      • 文件
      • 设备
    • 向上层提供服务
      • 面向普通用户
        • GUI用户图形界面
        • 命令接口
          • 联机命令接口
          • 脱机命令接口
      • 面向面向软件和程序员
        • 程序接口（系统调用）
    • 对硬件机器的拓展
  • 操作系统的特征
    • 并发
    • 共享
      • 互斥共享方式
        • 如摄像头设备的调用
      • 同时共享方式
        • 如硬盘的共享使用
    • 虚拟
      • 空分复用技术
        • 如虚拟存储技术
      • 时分复用技术
        • 如虚拟处理器技术
    • 异步
• OS的发展与分类
  • 手工操作阶段
    • 缺点：人机速度矛盾，资源利用率低
  • 批处理阶段
    • 单道批处理系统（脱机输入输出）
      • 优点：缓解了人机速度矛盾
      • 缺点：资源利用率仍然较低
    • 多道批处理系统（操作系统开始出现）
      • 优点：多道程序并发执行，资源利用率高
      • 缺点：不提供人机交互功能
  • 分时操作系统
    • 优点：提供人机交互功能
    • 缺点：无法优先处理紧急进程
  • 实时操作系统
    • 硬实时操作系统
      • 必须在严格要求的时间内处理完紧急进程
    • 软实时操作系统
      • 可以接收偶尔的超时
    • 优点：可以优先处理紧急进程
  • 网络操作系统
  • 分布式操作系统
  • 个人计算机操作系统
• OS的运行机制
  • 两种指令
    • 特权指令
    • 非特权指令
  • 两种处理器状态
    • 内核态（管态）
      • 可以执行特权指令
      • 执行某一条特殊特权指令——修改PSW标志位为用户态——切换到用户态
    • 用户态（目态）
      • 只能执行用户指令
      • 如果在用户态时读入特权指令——引起中断指令，强制变为内核态——引起处理中断信号的内核程序——处理后回归用户态
        • 但凡需要操作系统介入，都会触发中断信号
    • 依靠程序状态字寄存器来判断状态
  • 两种程序
    • 内核程序（操作系统的内核）
      • 可以使用特权指令
    • 应用程序（运行在操作系统之上）
      • 只能使用非特权指令
• 中断和异常
  • 中断的作用
    • 操作系统内核强行夺回CPU控制权
    • 让CPU变为内核态
  • 中断的分类
    • 中断（外部中断信号）
      • I/O中断请求
      • 时钟中断
    • 异常（内部中断信号）
      • 陷入
        • 应用程序主动将控制权移交内核程序
        • 非特权指令
      • 故障
      • 终止
        • 由错误条件引起，可能被内核程序修复，修复后 把控制权还给应用程序
          • 如缺页故障
        • 由致命错误引起，内核程序无法修复，一般不将 控制权移交回应用程序，直接终止
          • 如除法除零、非法使用特权指令
  • 中断的原理
    • 检查中断信号
      • 异常：CPU在执行指令的时候检查是否有异常
      • 中断：CPU在每个指令周期末尾检查是否有中断
    • 找到相应的中断处理程序（通过中断向量表处理）
• 系统调用
  • 操作系统对程序员/应用程序提供的接口
  • 系统调用和库函数的区别
    • 部分库函数是对系统调用的进一步封装
    • 部分库函数没有使用到系统调用
  • 系统调用的过程
    • 传参
    • 陷入指令
    • 由操作系统内核程序处理系统调用请求
    • 返回应用程序
• OS的基本结构
  • 大内核
    • 将操作系统的主要功能模块都作为系统内核，运行在内核态
    • 优点：性能高，在核心态用户态之间切换频率低
    • 缺点：内核代码量大，难维护，结构乱
    • Linux、UNIX、Windows
  • 微内核
    • 只把最基本的功能保留在内核
    • 优点：内核代码量少，结构清晰，便于维护
    • 缺点：需要频繁在用户态和内核态之间切换，性能低
    • Mac
  • 分层结构
    • 内核分多层，每层可单向调用下一层的接口
    • 优点：便于调试和验证，自底向上逐层调试验证
    • 缺点：效率低，不可以跨层调用，难以合理定义各层的边界
  • 模块化
    • 将内核划分为多个模块，各模块协作工作（内核＝主模块＋可加载内核）
    • 优点：支持动态加载新内核模块，模块间可以互相直接调用，效率高
    • 缺点：模块间相互依赖，难调试验证
  • 外核
    • 内核负责进程调度，进程通信等功能，外核负责为用户进程分配未经抽象的硬件资源，由外核负责保证资源使用的安全
    • 优点：外核可以直接给用户进程分配硬件资源，用户进程可以更灵活地使用资源，减少了虚拟硬件资源的映射层，效率提升
    • 缺点：降低系统一致性，系统变得更复杂
• OS引导
  • CPU通电，ROM自举启动，磁盘主引导记录导入RAM
    • 通过主引导记录找到C盘位置，C盘引导记录导入RAM
      • 找到C盘根目录下的启动程序，启动操作系统
• 虚拟机
  • 将一台物理机器虚拟化为多台虚拟机器
  • 第一类VMM
    • 直接运行在硬件上，可以直接控制和分配资源
    • 可以直接分配未经抽象的物理硬件
    • 运行在最高特权级，可以执行高级指令
    • 优点：性能更好，可支持的虚拟机数量更多
    • 缺点：迁移性差
  • 第二类VMM
    • 运行在HostOS上，依赖HostOS为其分配物理资源
    • GuestOS拥有自己的虚拟磁盘——实际上是HostOS中的一个大文件，只能分配虚拟内存
    • 运行在用户态，部分运行在内核态
    • 优点：迁移性好
    • 缺点：性能差，可支持的虚拟机数量少