OS-1 OS 概述

计算机考研操作系统概述，内容包含OS基本概念、OS分类和发展、 程序运行环境、OS体系结构、OS引导和虚拟机，希望这份脑图会对你有所帮助。

OS 概述

• 1.1 OS基本概念
  • 概念、功能和目标
    • 基本概念
      • 计算机系统的划分
        • 硬件—操作系统—应用程序—用户
      • 操作系统（Operating System，OS）是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，以提供给用户和其他软件方便的接口和环境的程序集合。
      • 是计算机系统中最基本的系统软件
    • 操作系统的功能和目标
      • 作为系统资源的管理者
        • 处理机管理（进程管理）
          • 机器内部进程何时创建、何时撤销、如何管理、避免冲突，合理共享
          • 包括进程控制、进程同步、进程通信、死锁处理、处理机调度等
        • 存储管理
          • 为给多道程序的运行提供良好的环境，方便用户使用及提高内存的利用率
          • 包括内存分配与回收、地址映射、内存保护与共享和内存扩充等
        • 文件管理
          • 计算机中信息都是以文件的形式存在，OS中负责文件管理的部分称为文件系统
          • 包括文件存储空间的管理、目录管理及文件读写管理和保护等
        • 设备管理
          • 主要任务是完成用户的IO请求，方便用户使用各种设备，并提高设备的利用率
          • 包括缓冲管理、设备分配、设备处理和虚拟设备等
      • 作为用户与硬件系统之间的接口
        • 
        • 直接给用户使用的
          • 图形接口GUI
            • GUI：图形化用户接口
              • 最终还是通过调用程序接口实现的
              • 严格来说，图形接口不是OS的一部分，所调用的系统调用命令是OS的一部分
            • eg：拖拽到回收站
          • 命令接口
            • 命令接口：
              • 用户可利用这些操作命令来组织和控制作业的执行
            • 联机命令接口 （交互式命令接口）
              • 它由一组键盘操作命令组成。用户可直接通过控制台或终端输入操作命令，向系统提出各种服务要求
              • 特点
                • 交互性，实时反馈的，说一句做一句
                • 适用于分时或实时系统的接口
              • eg：win+R，cmd
              • 对应联机控制方式
            • 脱机命令接口 （批处理命令接口）
              • 由一组作业控制命令组成。脱机用户不能直接干预作业的运行，需要事先提交作业操作说明书和作业
              • 特点
                • 用户说一堆，系统逐条解释完成
                • 适用于批处理系统
              • eg：.bat
              • 对应脱机控制方式
        • 给软件/程序使用
          • 程序接口
            • 程序接口由一组系统调用（也称为广义指令）组成
              • 普通用户不能直接使用程序接口，只能通过程序代码间接使用
              • 编程人员可以使用这些系统调用来请求操作系统服务
            • 类似于函数调用，这是应用程序请求OS服务的唯一方式
      • 实现对计算机资源的扩充
        • 裸机和虚拟机
          • 裸机
            • 没有任何软件支持的计算机，仅构成计算机系统的物质基础
          • 虚拟机
            • 通常把覆盖了软件的机器称为扩充机器，又称之为虚拟机
      • 目标：
        • 裸机上安装的操作系统，可以提供资源管理功能和方便用户的服务功能，将裸机改造成功能更强、使用更方便的机器，获得更高的资源利用率
  • 操作系统的特征
    • 四大特征
      • 并发
        • 并发性
          • 并发性：系统中“同时”存在多个运行的程序，能处理和调度多个程序同时执行
          • 操作系统就是伴随着“多道程序技术”出现的，并发性是OS的天然的，最基本的特征
          • 宏观上并行，微观上串行（分时交替执行）
            • 并发性是通过分时得以实现的
        • 并行性
          • 并行性：是指系统具有同时进行运算或操作的特性，在同一时刻能完成两种或两种以上的工作
          • 并行性必须有相关硬件的支持
            • 对于单处理机，同一时刻只能执行一个程序，各个程序只能是并发的，不能是并行的
            • 对于多核CPU或多流水线硬件环境，多个程序才可以并行执行
      • 共享
        • 即资源共享，系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程共同使用
        • 分类
          • 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
            • 临界资源
              • 在一段时间内只允许一个进程访问的资源称为临界资源
                • 同步和互斥问题、死锁问题
            • eg：
              • 大多物理设备及软件中的栈、变量、表格等都是临界资源，只能互斥共享
          • 同时访问方式
            • 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
            • “同时”：宏观上“同时”，微观上可能是交替访问“分时共享”的
            • eg：
              • 磁盘存储设备，一些用重入码（允许多个进程同时访问的代码）编写的文件
      • 虚拟
        • 把一个物理上的实体变为若干逻辑上的对应物
          • 用于实现虚拟的技术，称为虚拟技术。
        • 虚拟处理器
          • 可理解为：虚拟技术中的“时分复用技术”
          • 利用多道程序技术，并发执行，分时使用一个处理器，把一个物理上的CPU虚拟为多个逻辑上的CPU
          • eg：
            • 四核处理器能够运行更多个程序（微观上处理机在各微小的时间交替为各个进程服务）
        • 虚拟存储器
          • 可理解为：虚拟技术中的“空分复用技术”
          • 从逻辑上扩展机器的物理存储器
          • eg：
            • 8GB内存能同时运行远超8GB的软件
      • 异步
        • 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
        • 即
          • 在随机环境下，进程可能会产生与时间有关的错误
          • 运行环境固定，能保证多次运行能获得相同的结果
            • 信号量的使用
    • 特征间的关系
      • 并发和并行
        • 并发：
          • 指两个或多个事件在同一时间间隔内发生
        • 并行：
          • 指两个或多个事件在同一时刻同时发生
        • 并发不一定并行，并行一定能并发，并行包含并发
      • 并发和共享
        • 并发性和共享性是OS最基本特征，互为存在的条件
        • 资源共享是以并发为条件的，若失去并发性，只有一个程序运行，共享性则无意义
        • 若系统不能对资源共享有效管理，则多道程序无法并发执行
      • 虚拟 、异步和并发
        • 没有并发性，谈不上虚拟性：只运行一道程序，则虚拟性无意义
        • 有并发性，才可能导致异步性
• 1.2 OS分类和发展
  • 手工和批处理
    • 手工操作阶段（无OS）
      • 概念
        • 所有工作都要人工干预，程序装入，运行、输出都要人工操作
        • eg：纸带机
      • 特点
        • 用户独占全机，不会出现资源冲突，需要等待的情况，但会导致资源利用率极低
        • CPU要等待手工操作，人机速度矛盾导致利用不充分
    • 批处理阶段（OS出现）
      • 单道批处理系统 （OS雏形）
        • 概念
          • 对作业的处理是成批进行的，但内存中始终保持只有一道作业
          • 引入脱机输入/输出技术（外围机和磁带，通过外围机把程序传输到磁带里），并由监督程序负责控制作业的IO
        • 特点
          • 自动性
            • 在顺利的情况下，磁带上的一批作业能逐个运行，无需人工干预
          • 顺序性
            • 各道作业顺序进入内存，顺序完成，先进先完成
          • 单道性
            • 内存中仅有一道程序运行，即监督程序每次从磁带上只调入一道程序
        • 优缺点
          • 缓解一定程度的人机速度矛盾
          • 同一时间，内存中仅有一道程序运行，CPU有大量时间在空闲等待IO完成
      • 多道批处理系统 （OS诞生）
        • 概念
          • 允许多个程序同时进入内存，并允许在CPU内交替运行（即程序共享系统中的软硬件资源）
          • 操作系统诞生，用于支持多道程序并发运行
            • 对应就要实现操作系统作为资源管理者的四个管理调度
        • 特点
          • 多道程序
            • 宏观上并行
              • 微观上串行
        • 优缺点
          • 响应时间长，没有人机交互功能（用户提交完作业后只能等待完成，中间不能控制执行，也不了解运行情况）
          • 多道程序并发执行，共享资源，资源利用率大幅提升，CPU和其他资源尽量保持“忙”，系统吞吐量大
  • 分时和实时
    • 分时操作系统（交互）
      • 概念
        • 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和计算机交互，互不干扰，共享一台主机
        • “轮流”：时间片内未完成就暂停等待下一轮
          • 支持多道程序设计
      • 优点
        • 同时性
          • 也称多路性，允许多个终端用户同时使用一台主机
        • 交互性
          • 用户能通过终端采用人机对话的方式直接控制程序运行，与同程序进行交互，解决了人机交互问题
        • 独立性
          • 多个用户可以彼此独立地进行操作，互不干扰
        • 及时性
          • 用户请求能在很短时间内获得响应（分时技术造成的）
      • 缺点
        • 用户请求可以被即时响应，实现了人机交互
        • 不能优先处理一些紧急任务，对各个用户/作业是平等的，是循环轮流地提供服务，不区分任务的紧急性
    • 实时操作系统（排队）
      • 概念
        • 为了能在某个时间限制内完成某些紧急任务而不需要时间片排队，产生了实时操作系统
      • 特点
        • 及时性和可靠性
          • 能优先响应一些紧急任务，不需要时间片排队
      • 分类
        • 硬实时系统
          • 某个动作必须绝对地在规定的时刻（或规定的时间范围）发生
          • eg：导弹控制系统、自动驾驶系统
        • 软实时系统
          • 能够接受偶尔违反时间规定且不会引起任何永久性的损害
          • eg：订票系统，银行管理系统
  • 其他及发展过程
    • 网络操作系统（联网）
      • 把计算机网络中的各台计算机有机地结合起来，提供一种统一、经济而有效的使用各台计算机的方法，实现各台计算机之间数据的互相传送
      • 特点
        • 实现网络中各种资源的共享及各台计算机之间的通信
          • 如，Windows NT
    • 分布式操作系统（合作）
      • 多台计算机组成，任两台计算机通过通信方式交换信息；每台具有同等地位；资源为所有用户共享；任意台计算机都可以构成一个子系统，并且还能重构——任何工作都可以分布在几台计算机上，由它们并行工作、协同完成。
      • 特点
        • 建立在网络OS之上，分布性、并行性
      • 分布式OS中若干计算机能相互协同完成任务，网络操作系统不行，只能通信
    • 发展过程
• 1.3 程序运行环境
  • 运行模式
    • 内核态与用户态
      • 特权指令和非特权指令
        • 特权指令
          • 不允许用户直接使用的指令
          • 影响重大，只能由OS内核来使用
          • 如，IO指令、置中断指令、内存清零指令
        • 非特权指令
          • 允许用户直接使用的指令，其不能直接访问系统中的软硬件资源，仅限于访问用户的虚拟地址空间
          • 如：加法指令、减法指令
        • 划分特权与非特权，是为了防止用户程序对系统造成破坏
      • 内核程序和用户程序
        • 内核程序/管理程序
          • 很多内核程序组成了操作系统内核，简称为内核kernel
          • 内核是OS中最重要最核心的部分，是最接近硬件的部分，是计算机配置上的最底层软件
        • 用户程序/应用程序/被管理程序
          • 广泛的应用程序
      • 内核态和用户态
        • 内核态/核心态/管态
          • 此时CPU正在运行内核程序：可以执行特权指令，也可以运行非特权指令
        • 用户态/目态
          • 此时CPU正在运行应用程序，只能执行非特权指令
        • 由程序状态字寄存器PSW标记状态，1：用户态
    • 内核态和用户态的切换
      • 内核态—>用户态
        • 一条修改PSW的特权指令
        • 一般是中断返回指令
          • ——修改PSW的标志位为“用户态”，OS将让出CPU使用权
      • 用户态—>内核态
        • 由中断（外中断）和异常（包括系统调用、错误）引起，硬件自动完成
        • 中断导致
          • 触发中断后，OS将强制夺回CPU使用权，暂停现行程序，运行处理中断信号的内核程序
        • 异常导致
          • 自陷、故障、终止
            • 如，非法使用特权指令等
              • 凡是需要OS介入的地方，都会触发中断
      • 注意：
        • 由用户态进入核心态，不仅状态需要切换，所用的堆栈也可能需要由用户堆栈换为系统堆栈
        • 这个系统堆栈是属于该进程的
    • OS内核的内容
      • 时钟管理
        • 计时（提供标准的系统时间），时间片（时钟中断：控制进程切换，调度）
      • 中断机制
        • 中断机制中的一部分属于内核：保护和恢复现场信息，转移控制权等
      • 原语
        • 处于最底层，原子性一气呵成，运行时间短，调用频繁
          • 关中断定义
      • 系统控制的数据结构及处理
        • 进程管理PCB，文件管理FAT，内存管理TLB等
      • 核心态指令：实际上包括系统调用类指令和一些针对时钟、中断和原语的操作命令
  • 中断和异常
    • 中断的作用
      • 让操作系统内核能够强制夺回CPU使用权
        • 没有中断机制，就没有并发性，更无从谈起操作系统
        • 要并发，就要在程序未占用某种资源时，需要将其释放，就要中断
      • 让CPU能够从用户态变为内核态
        • 系统不允许用户程序使用内核态的功能，但用户程序有时需要使用，就必须有中断机制建立“门”
        • 中断是用户态变为内核态的唯一途径
    • 中断的类型
      • 内中断（异常、例外）
        • 信号来自CPU执行指令内部的事件，与当前执行的指令有关
        • 自陷/陷阱/陷入/trap
          • 是一种事先安排的“异常”事件，由陷入指令引发，是应用程序故意引发的
          • 用于在用户态下调用OS内核程序，是主动将CPU转交给OS内核
          • 系统调用就是通过陷入指令完成
        • 故障（fault）
          • 指令执行中，由错误条件引起的，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：非法操作码、缺页故障、除数为0、运算溢出等
        • 软件中断（程序性异常）
        • 终止（abort）
          • 由致命错误引起，内核无法修复该错误
          • 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（用户态中出现特权指令）、控制器出错、存储器校验错等
          • 硬件中断
        • CPU在执行指令时，就会检查是否有异常
      • 外中断（中断）
        • 信号来自CPU执行指令外部的事件，与当前执行的指令无关，下一个周期处理
        • 时钟中断
          • 时钟部件每隔一段时间给CPU一个时钟中断
          • 是操作系统能够进行线程调度的基础
        • IO中断请求
          • 由输入/输出设备发来的中断信号
          • 每个指令周期末尾（指令执行结束），检查是否有中断请求
        • 硬件中断
      • 按可屏蔽和不可屏蔽分
        • 可屏蔽中断
          • 通过INTR线发出的，是可屏蔽的，在关中断后不会被响应
          • 可通过改变屏蔽字实现多重中断，使中断处理更灵活
        • 不可屏蔽中断
          • 通过NMI线发出的，不可屏蔽，关中断后仍会被响应
          • 通常是紧急的硬件故障，如电源掉电
          • 异常也是不能被屏蔽的
    • 中断实现的基本原理（计组）
      • 不同的中断信号，需要用不同的中断处理程序来处理。
      • 当CPU检测到中断信号后，会根据中断信号的类型去查询“中断向量表”，获取中断处理程序入口地址
      • 具体处理过程一般由OS（和IO驱动程序完成）
  • 系统调用
    • 系统调用的概念
      • 概念
        • 应用程序可通过系统调用（广义指令/程序接口）来获取操作系统内核的服务
        • 即，操作系统提供给应用程序编程人员使用的接口，
          • 可认为是，可供应用程序调用的特殊函数（一类特殊的公共子程序）
      • 和库函数的区别
        • • 注意：不是所有库函数都涉及系统调用
            • 涉及的
              • 如：取绝对值的函数
            • 不涉及
              • 如：创建一个新文件
    • 系统调用的作用
      • 系统调用的必要性
        • 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
        • 凡是与共享资源有关的操作（如存储分配、I/O操作、文件管理等会直接影响到其他进程的操作），都必须通过系统调用的方式向操作系统内核提出请求服务
        • 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，随意更改访问重要的系统资源
      • 系统调用的功能
    • 系统调用的过程
      • 陷入指令/ 访管指令/ trap指令
        • 异常中的trap情况，即，凡是用户程序要主动调用操作系统内核时，需要使用的指令
        • 用户程序执行“陷入指令”，相当于把CPU的使用权主动交给操作系统内核程序（CPU状态会从用户态进入核心态）
        • 是一条可以在目态（用户态）下执行的指令，不是特权指令
      • 系统调用过程
        • 传递系统调用参数
        • 执行陷入指令（用户态）
        • 执行相应的内核程序处理系统调用（核心态）
        • 返回应用程序
      • 注意
        • 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/异常，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
      • • 用户通过操作系统在用户态运行上层程序（如系统提供的命令解释程序或用户自编程序）
        • 上层程序的运行依赖于操作系统的底层管理程序提供服务支持
        • 两种情况
          • 需要管理程序服务时，系统则通过硬件中断机制进入核心态，运行管理程序
          • 运行出现异常情况，被动需要管理程序的服务，通过异常处理来进入核心态
        • 管理程序运行结束时，通过相应的保存的程序现场退出中断处理程序或异常处理程序，返回断点处继续执行
• 1.4 OS体系结构
  • 操作系统内核
    • 操作系统的内核
      • 内核程序构成了操作系统内核，内核：Kernel
      • 地位
        • 内核是计算机上配置的最底层软件，最接近硬件的部分，是最重要最核心的部分
        • 管理系统的各种资源，是应用程序和硬件的连接
      • 组成
        • 一些和硬件关联较紧密的模块：如，时钟管理、中断处理、设备驱动
        • 一些运行频率较高的程序：如，进程管理、存储器管理、设备管理等
        • 注意
          • OS的功能未必都在内核中，如GUI
    • 内核的组成
      • 时钟管理
        • 时钟：实现计时功能
          • OS通过时钟管理，向用户提供标准的系统时间。
        • 时间片是实现进程切换的基础
          • 分时OS中，时间片轮转调度
          • 实时OS中，按截止时间控制运行
          • 批处理OS，衡量作业运行程度
      • 中断机制
        • 中断处理过程中的一部分在内核中
          • 负责保护和恢复中断现场的信息，转移控制权到相关的处理程序
        • 是操作系统各项操作（IO、系统调用、进程管理、设备驱动、文件访问等）的基础。能提高系统并行处理能力
      • 原语
        • 特点
          • Atomic Operation。是一类特殊的程序
            • 处于操作系统的最低层，是最接近硬件的部分。
            • 运行时间都较短，而且调用频繁
          • 这些程序的运行具有原子性，其操作只能一气呵成（出于系统安全性和便于管理考虑）
        • 如何定义一个原语？
          • 关中断实现原子操作
          • 系统中的设备驱动、CPU切换、进程通信等功能中的部分操作都可定义为原语
      • 与硬件关联紧密的模块
      • 系统控制的数据结构及处理
        • 进程管理
          • 进程状态管理、进程调度和分派、创建与撤销进程控制块等
        • 存储器管理
          • 存储器的空间分配和回收、内存信息保护程序、代码对换程序
        • 设备管理
          • 缓冲区管理、设备分配和回收
        • 运行频率高的操作，不直接涉及硬件 有的OS内核不包括（微内核）
  • 宏内核和微内核
    • 宏内核 /大内核 /单内核
      • 概念
        • 系统的主要功能模块作为一个联系紧密的系统内核，运行在核心态
        • 应用
          • 主流的操作系统，win、IOS、Android、macOS、Linux
      • 特点
        • 优点：
          • 性能高，各管理模块间共享信息，能直接调用各模块特性
        • 缺点：
          • OS服务逐渐复杂，内核代码庞大、结构混乱、难以维护
    • 图示
    • 微内核
      • 微内核概念
        • 只有OS最基本的内容，其余的作为进程来实现，运行在用户态
        • 移出内核的OS部分分层划分成若干服务程序（服务器），执行相互独立，交互都要借助微内核提供的消息传递机制来实现
        • 包含
          • 与硬件处理紧密相关的部分
            • 一些较为基本的功能
              • 客户和服务器之间的通信
          • 非核心内容（与硬件联系不紧密的）移除到用户态，只保留最基本功能
        • 描述
          • 采用“机制和策略分离”的原理构造
            • 采用面向对象技术
          • 内核足够小
            • 消息传递机制，基于客户/服务器模式
      • 微内核基本功能
        • 通常采用“机制和策略分离”的原理构造OS结构，机制部分及与硬件紧密的内容放到微内核 微内核OS将进程、存储器、IO管理这些功能划分，将小部分机制内容放入微内核，其他的放入各种服务器，这样可以将微内核做的很小
        • 进程（线程）管理
          • 进程（线程）之间的通信功能是微内核OS最基本的功能
            • 还包括进程切换、进程调度，多处理机间同步等
          • 分离
            • 进程调度，需要设置一个或多个进程优先级队列——调度功能的机制部分，放入微内核中
            • 进程如何分类，以及优先级的确认方式——策略问题，放入微内核外的进程管理服务器
        • 低级存储器管理
          • 只配置最基本的低级存储器管理机制
          • 分离
            • 逻辑地址变换为物理地址等的页表机制和地址变换机制，依赖于硬件，在微内核中
            • 实现虚拟存储器管理的策略，何种页面置换算法，内存分配与回收的策略，放在存储器管理服务器中
        • 中断和陷入处理
          • 中断和陷入处理中与硬件联系紧密的功能放入微内核中
          • 即，在中断过程中，由微内核实现捕获所发生的中断和陷入事件，并进行中断响应处理
      • 特点
        • 优点
          • 扩展性和灵活性
            • 内核功能少，复杂性降低，结构清晰，方便维护和扩展
            • 当需要修改和增加功能时，只需要在相应服务器中修改或增加一个新的服务器，无需改内核
          • 可靠性和安全性
            • 只有微内核运行在内核态，其余模块运行在用户态，一个模块错误不会使整个系统崩溃
          • 可移植性
            • 微内核的内容更通用，更接近硬件，移植到另一个平台修改很少
          • 分布式计算
            • 采用的是消息传递机制，能更好的支持分布式系统和网络系统
        • 缺点
          • 需要频繁地在核心态和用户态之间切换，执行开销大，性能低
        • 应用
          • 在实时、工业、航空等需要高度可靠性的领域
            • windows NT
  • 外核的概念
    • 特性/思想
      • 传统的内核设计都会对硬件作抽象，硬件资源和设备驱动程序都隐藏
        • 例如，应用程序不知道使用的内存地址的真实物理地址
        • 需要维护一张表格用以重映像磁盘地址（以及其他资源）
      • 外核模型中
        • 
        • 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
            • 保证硬件资源的使用安全
      • 理解
        • 让应用程序能直接请求一块特定的物理空间——未经抽象
        • 外核只保证被请求的资源当前是空闲的，不发生冲突，只提供有限的原语，记录已经分配出去的资源即可
    • 特点
      • 优点
        • 外核可直接给用户进程分配"不虚拟、不抽象”的硬件资源，使用户进程可以更灵活的使用硬件资源
        • 减少了虚拟硬件资源的“映射层"，效率更高
          • 将多道程序（在外核内）与用户操作系统代码（在用户空间内）加以分离，而且相应负载并不重
          • 以往操作系统提供的抽象全部在用户空间当中运行
      • 缺点
        • 降低了系统的一致性
          • 系统更复杂
  • 分层法和模块化设计
• 1.5OS引导和虚拟机
  • 操作系统引导
    • OS引导boot
      • 计算机用CPU运行特定程序，通过程序识别硬盘——识别硬盘分区——识别分区上的操作系统——最后通过程序启动操作系统的过程
      • eg：windows操作系统完整的开机初始化程序在“根目录/Windows/Boot“下
    • 磁盘中的数据
      • 硬盘和分区
        • 引导硬盘：存放操作系统程序的硬盘
          • 硬盘会以特定的标识符区分引导硬盘和非引导硬盘
        • 活动分区：启动操作系统的文件都装在这个分区
          • 分区：（逻辑上的）如C:盘、D:盘
      • MBR和PBR
        • 主引导记录MBR
          • 组成
            • 硬盘引导程序
            • 硬盘分区表
              • 可根据此表区分活动分区和非活动分区
          • 作用：
            • 告诉CPU
              • 操作系统是否在这个盘（引导硬盘）
              • 要去这个硬盘的哪个分区找OS（活动分区）
        • （分区）引导记录PBR
          • 是活动分区的第一个扇区
            • 也称为卷引导记录VBR
          • 作用
            • 寻找并激活分区根目录下用于引导OS的程序（启动管理器）
      • BIOS
        • 基本输入输出系统
          • 一般存放在主板的ROM上，存放boot引导程序
    • OS引导过程
      • 上电，CPU会到一个固定的地址取指令，跳转到BIOS引导程序的入口地址
      • BIOS程序会进行硬件自检，自检无误，继续引导
        • 如有故障，主板会蜂鸣，启动中止
      • 识别引导硬盘
        • BIOS读取Boot Sequence：把控制权交给启动顺序第一的存储设备/或者由用户自己选取启动硬盘
        • 将存储设备引导扇区的内容加载到内存中
        • 并加载主引导记录MBR，确定这是引导硬盘，执行硬盘引导程序，控制权交给该引导硬盘
      • 识别活动分区
        • CPU扫描MBR中的硬盘分区表
        • 确定活动分区，控制权交给活动分区
          • eg：找到C盘
      • MBR的任务
      • 找到启动管理器（boot loader)
        • 分区引导记录PBR被读入内存，找到完整的操作系统初始化程序（启动管理器）
          • PBR的任务
      • 启动管理器寻找并激活分区中的启动配置数据（多系统选择）
        • 找到根目录下的操作系统程序，将操作系统内核载入内存，完成开机
      • BIOS——>MBR——>DPT(分区表)——>PBR——>boot loader（—>启动配置数据）——>OS加载
  • 虚拟机技术
    • 虚拟机技术
      • 概念
        • 虚拟机是一台逻辑计算机，是采用虚拟化技术，通过隐藏特定计算平台的实际物理特性，为用户提供抽象的、统一的、模拟的计算环境
        • 即，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
        • 广泛应用于web主机领域，即云主机，云服务器
      • 虚拟机管理程序（VMM，Virtual Machine Monitor）==虚拟机监控程序（Hypervisor）
        • 运行在VMM上层的称为客户操作系统 Guest OS
        • 运行在底层硬件上的称为宿主操作系统 Host OS
    • 两类VMM
      • • 第一类虚拟机管理程序
          • eg：装双系统
          • 也称为裸金属架构
        • 特性
          • 是唯一一个运行在最高特权级的程序，在裸机上运行并具备多道程序功能
          • 向上层提供若干虚拟机，每个虚拟机都是裸机硬件的复制品
        • 特点
          • 虚拟机的OS运行在虚拟内核空间/虚拟内核态
          • OS执行一条内核态指令时，需要陷入VMM，由VMM控制硬件执行
          • 用户程序执行敏感指令，VMM需要模拟真实硬件为上层服务
      • • 第二类虚拟机管理程序
          • eg：VirtualBox, VMware
          • 也称为寄居架构
        • 特性
          • 是一个依赖于宿主操作系统分配和调度资源的程序
          • 类似于普通的进程，客户操作系统只是宿主操作系统的一个大文件
        • 特点
          • 可迁移性好，性能差，能支持虚拟机数量更少
          • 第二类VMM部分运行在用户态，部分在内核态
    • 比较区分

概念区分

• 几种指令
  • 核心态指令
    • 核心态可以执行指令集中的所有指令，包括特权指令和非特权指令
      • 但不执行访管指令
    • 核心态指令实际上包括系统调用类指令和一些针对时钟、中断和原语的操作命令。
  • 特权指令
    • 在指令系统中拥有用于管理硬件和整个系统安全的指令，让程序随意使用具有极高危险性
    • 只能在核心态（管态）执行
  • 访管指令
    • 用户程序自愿进管（放弃cpu使用权）的指令
    • 非特权指令，可在用户态执行
      • 执行后进入核心态
  • 陷入指令
    • 执行陷入指令程序会中断，跳转到中断服务程序（操作系统的代码）
    • 陷入指令在用户态
  • OS角度上可等价
    • 访管指令强调cpu从用户态切换到了核心态
      • 强调的是可以执行特权指令
    • 陷入指令强调程序从用户程序从用户态切换到内核态
      • 强调的是进程放弃cpu，交还给操作系统
  • 广义指令（系统调用）
    • 指用户程序需要借助操作系统来完成的特定操作，执行陷入指令后可以进行系统调用
    • 系统调用是一段代码而不是一条代码，在高级语言层面可能表现为一条
    • 发出系统调用在用户态，处理系统调用在核心态
• 两种调用
  • 系统调用
    • 通过中断方式，即软件中断/陷入指令INT，执行后通过硬件关中断 保存断点和程序状态字 形成中断服务程序入口地址，之后执行中断服务程序
    • 系统调用会进入核心态
  • 函数调用
    • 函数调用通过CALL指令来进行
      • 修改PC
    • 函数调用不一定进入核心态
  • 系统调用本质上应该也是一种函数调用
  • 8086汇编语言函数返回
    • 段内调用
      • 使用RET指令返回，从栈中弹出一个字，即IP(指令指针寄存器)
    • 段间调用
      • 使用RETF指令返回，从栈中弹出两个字，即CS（代码段基址寄存器） 和IP
    • 系统调用
      • 使用IREF指令返回，从栈中弹出三个字，即IP CS PSW（程序状态字）