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第一章-计算机系统概述中断和异常
这是一篇关于第一章-计算机系统概述中断和异常的思维导图，主要内容包括：虚拟机，操作系统和引导(Boot)，系统调用，中断和异常，操作系统的运行机制，操作系统的发展与分类，操作系统的特征，操作系统的概念功能。
编辑于2024-12-01 17:30:33- 计算机系统
- 中断和异常
- 408 操作系统
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第一章-计算机系统概述+中断和异常
操作系统的概念功能
概念
操作系统是系统资源的管理者
指控制和管理整个计算机系统的硬件和软件资源，并合理地组织调 度计算机的工作和资源的分配
向上层提供方便易用的服务
提供给用户和其他软件方便的接口和环境
最接近硬件的一层软件
它是计算机系统中最基本的系统软件
注
界面就是接口的意思--interface
功能和目标
资源的管理者
处理机管理
存储器管理
文件管理
设备管理
向上层提供服务
给普通用户直接使用的
GUI(图形用户界面)
命令接口
脱机命令接口
批处理命令接口
特点
用户说一堆，系统跟着做一堆
联机命令接口
交互式命令接口
特点
用户说一句，系统跟着做一句
给软件/程序员使用的
程序接口
即系统调用
系统调用vs库函数
对硬件机器的拓展
没有任何软件支持的计算机成为裸机
把覆盖了软件的机器成为扩充机器，又称之为虚拟机
操作系统的特征
并发
定义
指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。这些事件宏观上是同时发生的，但微观上是交替发生的
易混概念
并行
指两个或多个事件在同一时刻同时发生
并发vs并行
重要考点
单核CPU同一时刻只能执行一个程序，各个程序只能并发地执行 多核CPU同一时刻可以同时执行多个程序，多个程序可以并行地执行
并发性是操作系统一个最基本的特性
共享
定义
共享即资源共享，是指系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程共同使用。
两种资源共享方式
互斥共享方式
系统中的某些资源，虽然可以提供给多个进程使用，但一个时间段内只允许一个进程访问该资源
同时共享方式
系统中的某些资源，允许一个时间段内由多个进程“同时”对它们进行访问
注
所谓的“同时”往往是宏观上的，而在微观上，这些进程可能是交替地对该资源进行访问的（即分时共享）
但有时"同时"共享可能微观上也是同时共享着资源
例子
并发和共享的关系
互为存在条件
如果失去并发性，则系统中只有一个程序正在运行，则共享性失去存在的意义
如果失去共享性，则QQ和微信不能同时访问硬盘资源，就无法实现同时发送文件，也就无法并发
虚拟
定义
虚拟是指把一个物理上的实体变为若干个逻辑上的对应物。物理实体（前者）是实际存在的，而逻辑上对应物（后者）是用户感受到的
两种技术
空分复用技术(虚拟存储器技术)
eg:实际只有4GB的内存，在用户看来似乎远远大于4GB
时分复用技术(虚拟处理器技术)
eg:实际上只有一个单核CPU，在用户看来似乎有6个CPU在同时为自己服务
与并发(共享)的关系
显然，如果失去了并发性(或共享)，则一个时间段内系统中只需运行一道程序，那么就失去 了实现虚拟性的意义了。因此，没有并发性(或共享)，就谈不上虚拟性
异步
定义
异步是指，在多道程序环境下，允许多个程序并发执行，但由于资源有限，进程的执行不是一贯到底的，而是走走停停，以不可预知的速度向前推进，这就是进程的异步性。
与并发(共享)的关系
如果失去了并发性(共享)，即系统只能串行地运行各个程序，那么每个程序的执行会 一贯到底。只有系统拥有并发性(共享)，才有可能导致异步性。
注
没有并发和共享，就谈不上虚拟和异步，因此并发和共享是操作系统的两个最基本的特征，这两个也是必须要实现的
操作系统的发展与分类
总览
手工操作阶段
缺点
用户独占全机
人机速度矛盾导致资源利用率极低
批处理阶段
对内存大小没有要求，一旦使用内存利用率会变高
单道批处理系统
引入脱机输入/输出技术（用外围机+磁带完成） 并由监督程序负责控制作业的输入、输出
优缺点
优点
缓解人机速度矛盾
缺点
内存中仅能有一道程序运行，只有该程序运行结束之后才能调入下一道程序。CPU有大量的时间是在空闲等待I/O完成资源利用率依然很低
多道批处理系统
操作系统开始出现，引入了中断技术，使得CPU和I/O可以并行处理
优缺点
优点
多道程序并发执行，共享计算机资源。资源利用率大幅提升，CPU和其他资 源更能保持“忙碌”状态，系统吞吐量增大
缺点
用户响应时间长，没有人机交互功能（用户提交自己的作业之后就只能等待 计算机处理完成，中间不能控制自己的作业执行。eg：无法调试程序/无法在程序运行过程中输入一些参数）
2022-23
不用支持虚拟内存管理
注
分时操作系统
计算机以时间片为单位轮流为各个用户/作业服务，各个用户可通过终端与计算机进行交互
优缺点
优点
提供人机交互功能
缺点
不能优先处理一些紧急任务。操作系统对各个用户/作业都是完全公平的，循环地为每个用户/作业服务一个时间片，不区分任务的紧急性
实时操作系统
在实时操作系统的控制下，计算机系统接收到外部信号后及时进行处理，并且要在严格的时限内处理完事件。实时操作系统的主要特点是及时性和可靠性
硬实时系统
必须在绝对严格的时间内完成处理(如自动驾驶系统)
软实时系统
能接收偶尔违反时间规定(如买票系统)
优点
能优先处理紧急任务
网络操作系统
是伴随着计算机网络的发展而诞生的，能把网络中各个计算机有机地结合起来，实现数据传送等功能，实现网络中各种资源的共享（如文件共享）和各台计算机之间的通信
分布式操作系统
主要特点是分布性和并行性。系统中的各台计算机地位相同，任何工作都可以分布在这些计算机上，由它们并行、协同完成这个任务
个人计算机系统
如xp系统
强调的是应用场景而不是功能特性
操作系统的运行机制
指令
“指令”就是处理器（CPU）能识别、执行的最基本命令
注
很多人习惯把 Linux、Windows、MacOS 的“小黑框”中使用的命令也称为“指令”，其实这是“交互式命令接口”，注意与本节的“指令”区别开。本节中的“指令”指二进制机器指令
运行机制
内核
内核是操作系统最重要最核心的部分，也是最接近硬件的部分 甚至可以说，一个操作系统只要有内核就够了
两种指令
特权指令
操作系统内核作为 “管理者”，有时会让CPU执行一些“特权指令”，这些指令影响重大，只允许“管理者”——即操作系统内核来使用
常见的几种特权指令
输入/输出(I/O)指令，开中断指令，修改PSW指令，置时钟指令、内存清零指令、中断返回指令是特权指令、切换到用户态的指令
访管指令(Trap指令)不是特权指令
非特权指令
应用程序只能使用“非特权指令”，如：加法指令、减法指令，通用寄存器清0，访管指令(Trap指令)等
常见的几种非特权指令
两种程序
内核程序
操作系统的内核程序是系统的管理者，既可以执行特权指令，也可以执行非特权指令，运行在核心态。
应用程序
为了保证系统能安全运行，普通应用程序只能执行非特权指令，运行在用户态
两种处理器状态
内核态(管态)
处于内核态时，说明此时正在运行的是内核程序，此时可以执行特权指令
用户态(目态)
处于用户态时，说明此时正在运行的是应用程序，此时只能执行非特权指令
如何区分处理器状态
CPU 中有一个寄存器叫程序状态字寄存器（PSW），其中有个二进制位，1表示“内核态”，0表示“用户态”
别名
内核态=核心态=管态； 用户态=目态
内核态、用户态的切换
内核态->用户态
执行一条特权指令——修改PSW的标志位为“用户态”，这个动作意味着操作系统将主动让出CPU使用权
用户态->内核态
由“中断”引发，硬件自动完成变态过程，触发中断信号意味着操作系统将强行夺回CPU的使用权
但凡需要操作系统介入的地方，都会触发中断信号
例子
初始化中断向量和关闭中断允许位只能在内核态下执行
考点
2021-44
特权指令不能在用户态下执行
1.3-2
1.3-4
1.3-7
1.3-8
1.3-10
1.3-11
2012
2015-22
2015-23
2016-24
操作系统内核
时钟管理
实现计时功能
中断处理
负责实现中断机制
原语
是一种特殊的程序
处于操作系统最底层，是最接近硬件的部分
这种程序的运行具有原子性--其运行只能一气呵成，不可中断
运行时间较短、调用频繁
与硬件关联较紧密
对系统资源进行管理的功能
进程管理
存储器管理
设备管理
有的操作系统不把这部分功能归 为“内核功能”。也就是说，不 同的操作系统，对内核功能的划 分可能并不一样
操作系统的体系结构
大内核
将操作系统的主要功能模块都作为系统内核，运行在核心态
优缺点
优点
高性能s
缺点
内核代码庞大，结构混乱，难以维护
典型的大内核/宏内核/单内核操作系统:Linux、UNIX
微内核
只把最基本的功能保留在内核
策略与机制分离
优缺点
优点
内核功能少，结构清晰，方便维护
缺点
需要频繁地在核心态和用户态之间切换性能低
典型的微内核操作系统
Windows NT
用户态下只能用消息传递(频繁使用放入微内核)来间接通信，所以采用微内核的系统，用户程序不会和文件服务器通信
过程调用就是函数调用
大内核vs微内核
分层结构
便于调试
依赖关系不灵活
显著不足是设计困难
模块化
模块化操作系统的各功能模块都在内核中
外核
用户进程通过调用"库"请求操作系统外核的服务
总的考点
中断和异常
看计组第七章
中断的作用
“中断”是让操作系统内核夺回CPU使用权的唯一途径 如果没有“中断”机制，那么一旦应用程序上CPU运行，CPU就会一直运行这个应用程序 没有中断就不可能实现操作系统，不可能实现程序并发
让操作系统内核强行夺回CPU的控制权
让CPU从用户态变为内核态
子程序调用vs中断处理
操作系统负责完成保存中断屏蔽字
中断的分类
内中断(也称异常、例外)
与当前执行的指令有关， 中断信号来源于CPU内部
陷阱、陷入(trap)
是应用程序故意引发的
指令重新执行位置
普通自陷指令：回到自陷指令的下一条指令继续执行
自陷指令是转移指令：返回到的转移目标指令继续执行
故障(fault)
由错误条件引起的，可能被内核程序修复。内核程序修复故障后会把 CPU使用权还给应用程序，让它继续执行下去。如：缺页故障、整数除0(最新版是这样)
指令重新执行位置
缺段/缺页：将所需段或页调入内存后，回到发生故障的指令继续执行
非法操作+除数为0:无法通过异常处理程序恢复故障，不能回到原断点执行，必须终止进程的执行
软件中断
终止(abort)
由致命错误引起，内核程序无法修复该错误，因此一般不再将CPU使用权还给引发终止的应用程序，而是直接终止该应用程序。如：、非法使用特权指令、控制器出错、存储器校验错等
硬件中断
外中断(也称"中断"--狭义的中断)
与当前执行的指令无关， 中断信号来源于CPU外部
每一条指令执行结束时，CPU都会例行检查是否有外中断信号
时钟中断
I/O中断请求
硬件中断
判断方法
1. 先看是否与当前指令执行有关区分是内中断还是外中断
2. 看是否能解决这个问题，不能能解决--终止，能解决--异常或陷入
3. 看是否自愿，自愿--陷入，不自愿--异常
CPU时钟VS系统时钟
本题需要区分 CPU 时钟和系统时钟，前者与时钟周期相关，是计算机的固有硬件属 性，后者用来负责时钟中断，可以由操作系统来进行设定和初始化。时钟中断由系统时钟发出，属于外中断，②错误； 系统时钟可以由操作系统来进行设定和初始化，因此①错误； 计算机中的基本计时单位是由 CPU 时钟决定的时钟周期，因此③错误； 发生时钟中断时，操作系统会检查当前进程的时间片，若时间片用完则触发进程调度，因此④正确。答案选 A。
中断机制的基本实现原理
检查中断信号
内中断:CPU在指令执行时会检查是否有异常发生
外中断：每个指令周期末尾，CPU都会检查是否有外中断信号需要处理
找到相应的中断处理程序
中断处理程序是内核程序，需要内核态
通过"中断向量表"实现
考点
2021-21
熟悉判断中断三步走的方法，知道异常三种类型是回到哪执行 系统调用属于自陷
系统调用
系统调用定义
“系统调用”是操作系统提供给应用程序（程序员/编程人员）使用的接口，可以理解为一种可供应用程序调用的特殊函数，应用程序可以通过系统调用来请求获得操作系统内核的服务
系统调用与库函数的区别
有的库函数是对系统调用的进一步封装
有的库函数没有使用系统调用
为什么系统调用是必须的
例如两个进程同时打印没有管理的话内容就混在一起了，由操作系统内核对共享资源进行统一的管理，并向上提供“系统调用” ，用户进程想要使用打印机这种共享资源，只能通过系统调用向操作系统内核发出请求。内核会对各个请求进行协调处理
要用到系统调用的功能
应用程序通过系统调用请求操作系统的服务。而系统中的各种共享资源都由操作系统内核统一掌管，因此凡是 与共享资源有关的操作（如存储分配、I/O操作、文件管理等），都必须通过系统调用的方式向操作系统内核提 出服务请求，由操作系统内核代为完成。这样可以保证系统的稳定性和安全性，防止用户进行非法操作。
设备管理
完成设备的请求/释放/启动等功能
文件管理
完成文件的读/写/创建/删除等功能
进程控制
完成进程的创建/撤销/阻塞/唤醒等功能
进程通信
完成进程之间的消息传递/信号传递等功能
内存管理
完成内存的分配/回收等功能
虚拟地址到物理地址转换是纯硬件过程
系统调用的过程
传递系统调用参数
陷入指令/Trap/访管
由操作系统内核程序处理系统调用请求(核心态)
返回应用程序
注
陷入指令是在用户态执行的，执行陷入指令之后立即引发一个内中断，使CPU进入核心态
发出系统调用请求是在用户态，而对系统调用的相应处理在核心态下进行
2012-24
中断和子程序调用都会修改psw，但子程序不需要保存psw里的内容
考点
2017
2019
2021-32
通过fork函数完成系统调用
创建进程由系统调用完成，而进程调度由操作系统完成
scanf过程
看笔记和强化课和答案
函数调用--与系统调用区分
调用指令(转子指令)主要用于子程序(过程或函数)调用,例如,在 C 语言程序中遇 到一个函数调用时,编译器将会生成一条调用指令。为了能保证从被调用过程返回到调用过程继续执行,必须确定并保存返回地址,这个地址是调用指令随后的指令的地址,返回地址只能是调用指令来计算并保存,因为执行调用指令后就跳转到了被调用过程,因此无法获取返回地址。 为了保证嵌套调用时能够返回到调用过程,必须将返回地址压栈,如果不压栈而保存 在特定寄存器,则后面执行的调用指令会把前面调用指令保存的返回地址冲掉,只有调用叶子过程(叶子过程将不再有新的过程调用,因此是非嵌套调用)时的调用指令可以把返回地址存放到特定寄存器中。 调用指令执行时将无条件转移到目标地址处,这个目标地址就是被调用过程第一 条指令的地址,它一定在调用指令中明显给出。（明显指出：如立即数形式，寄 存器序号，相对寻址的方式）综上所述,答案为选项 D。
访问不在内存中的虚拟地址不涉及系统调用
系统调用不是操作系统必须提供的功能--当实时性要求较高的系统就没有系统调用
进程调度不能用系统调用实现
操作系统和引导(Boot)
磁盘里的数据
主引导记录
活动分区(安装了操作系统)
开机过程
BIOS包含
系统设置程序
基本输入输出程序
开机自检程序
系统启动自举程序
两个引导程序
位于ROM中的自举程序
硬盘活动分区引导扇区中的引导程序(启动管理器)
MBR作用
操作系统引导过程
开机过程
激活CPU
激活的CPU读取 ROM中的 boot程序，将指令寄存器置为BIOS（基本输入/输出系统）的第一条指令(通过JMP指令跳转到低地址去执行BIOS程序)，即开始执行BIOS的指令。
硬件自检
BIOS程序在内存最开始的空间构建中断向量表,接下来的POST过程要用到中断功能。然后进行通电自检，检查硬件是否出现故障。如有故障,
加载带有操作系统的硬盘
通电自检后，BIOS 开始读取 Boot Sequence(通过 CMOS 里保存的启动顺序，或者通过与用户交互的方式)，将控制权交给启动顺序排在第一位的存储设备然后 CPU 将该存储设备引导扇区的内容加载到内存中。
加载主引导记录(MBR)
硬盘以特定的标识符区分引导硬盘和非引导硬盘。如果发现一个存储设备不是可引导盘，就检查下一个存储设备。如无其他启动设备，就会死机。主引导记录MBR 的作用是告诉 CPU 去硬盘的哪个主分区去找操作系统。
扫描硬盘分区表，并加载硬盘活动分区
MBR 包含硬盘分区表，硬盘分区表以特定的标识符区分活动分区和非活动分区。主引导记录扫描硬盘分区表，进而识别含有操作系统的硬盘分区(活动分区)。找到硬盘活动分区后，开始加载硬盘活动分区，将控制权交给活动分区。
加载分区引导记录(PBR)
读取活动分区的第一个扇区，这个扇区称为分区引导记录(PBR)，其作用是寻找并激活分区根目录下用于引导操作系统的程序(启动管理器)。
加载启动管理器。
分区引导记录搜索活动分区中的启动管理器，加载启动管理器
加载操作系统。
将操作系统的初始化程序加载到内存中执行。
虚拟机
定义
传统计算机
一台物理机器上只能运行一个操作系统
虚拟机定义
使用虚拟化技术，将一台物理机器虚拟化为多台虚拟机器（Virtual Machine, VM），每个虚拟机器都可以独立运行一个操作系统
虚拟机的同义术语
虚拟机管理程序/虚拟机监控程序/Virtual Machine Monitor(VMM)/Hypervisor
VMM的功能没有操作系统的功能复杂，代码量少于一个完整的操作系统
两类VMM
第一类VMM
第二类VMM
例如:VMware,VirtualBox
对比