操作系统中的抽象概念

时间    

多个任务不能同时使用同一个时分复用的部件，但每个任务在使用时都可以得到这个部件的全部，因此需要将时间合理地分配给它们。典型的时分复用的部件是处理器，它又包括中央处理器和协处理器。

空间    

多个任务可以同时使用同一个空分复用的部件，但每个任务在使用时都无法得到这个部件的全部，因此需要将空间合理地分配给各个任务。典型的空分复用的部件是存储器，它又包括内存和外存。

原则    由需求决定。

设计    操作系统的高层次抽象描述，描述各个组件的逻辑功能。

实现    操作系统的低层次具体描述，描述各个组件的具体实施。

策略    操作系统中对资源管理的方法和政策。

机制    操作系统为实现策略使用的工具和手段。

图灵机模型

存储带TAPE   

读写头HEAD   

状态寄存器   

控制规则表    

通用图灵机

将任意图灵机及其输入作为输入的图灵机，它可以模拟任何图灵机的运行。

重要性

存储程序架构（冯・诺依曼模型）思想的原点。         
存储的程序即为其它图灵机的状态描述与转换规则。         
存储的数据即为其它图灵机所使用的数据。

计算机系统：硬件+软件

软件    

主要包括系统软件和用户软件。在工程实现中，一般分主板固件、操作系统、中间件和应用程序四个主要部分。

硬件    

包括运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备。
在工程实现中，一般分微处理器、存储器和输入输出设备三个主要部分，之间用系统总线连接。

指令执行的流程

取值 译码 执行 回写

数据在存储器中的表示

单字节直接存

多字节分大小端（大段正常）

汇编指令集合

算术运算数传输 处理串位控转移

8086段式内存管理

逻辑地址    程序中引用的16位地址，也叫偏移量或有效地址。

线性地址    经段式内存管理机制转换后，8086 CPU要实际访问的20位地址，也叫物理地址

地址生成算法    线性地址=(段寄存器值<<4)+逻辑地址

8086寻址

数据传送寻址    指令的操作数是数据时，查找数据的方法
控制转移寻址    指令的操作数是转移地址时，查找转移地址的方法
端口寻址    指令的操作数是一个端口时，查找端口地址的方法

寻址方法分类    

寄存器寻址：数据位于一个寄存器内。         
存储器寻址：数据位于一个存储器单元内。         
立即数寻址：数据携带在指令内部。

输入输出设备

外设接口

数据寄存器    存放外设和主机间传送的数据         
状态寄存器    保存外设或接口的状态信息         
命令寄存器    保存CPU发给外设或接口的控制命令

信息交换

直接交换    外设总是准备好接受或发送数据，主机直接读写         
查询（轮询）    在读写前查询外设是否准备好，主机再读写         
中断        外设通过中断主动通知主机准备好，主机再读写         
成组传送    由DMA控制器读写设备，CPU不干涉，性能最高。

问题一：什么情况下会产生这个需求？为什么？单道程序计算机有这个需求吗？多道程序计算机呢？

多道程序并发执行的环境中

• 单道程序计算机：无此需求，因无并发。

• 多道程序计算机：有强烈需求，以防止程序间干扰。

问题二：隔离策略由谁负责？隔离策略需要什么机制设计？策略由操作系统负责，还是由应用程序负责？软件机制有可能吗？硬件机制有可能吗？

• 策略由操作系统定义与管理。

• 机制由操作系统通过软件或硬件实现。

• 硬件机制提供更强、更底层的隔离保障，软件机制更灵活但可能被绕过。

• 可以实现，Java虚拟机以及WASM沙盒。

问题三：这些机制设计对应的实现被什么客观条件限制？

不能太慢 不能太贵

处理器特权级

用户模式    执行应用程序的模式，不允许直接访问系统的敏感资源。
内核模式    执行操作系统的模式，可直接执行敏感指令和访问敏感资源。
特权指令    能对敏感资源进行操作的指令，仅能在内核模式下执行

问题一        特权级可以通过什么机制互相切换？         

方法一    中断机制         
方法二    专用指令机制 问题二        

用户程序使用什么方法调用操作系统？         

使用上述两种机制之一。         
之后陷入操作系统内核，执行被操作系统接管

相比8086，为何AMD64要切换到内核栈且多压栈了SS和RSP？         

进入内核模式时，必须修改FLAGS/CS/RIP以关中断而且跳转到中断服务程序。我们可以把它们的原值保存在栈上。但此时的SS:RSP是指向用户空间的不可信的值，不能在内核模式对它进行操作

系统调用、中断和陷阱

系统调用    

一种机制设计，允许应用程序通过受限的方法调用操作系统内核，向内核请求功能处理。

中断：不可预测 陷阱：可预测

操作系统的分类

批处理系统(提高CPU利用率 缺乏交互)

批处理系统：把计算任务批次整理，然后逐一执行。

分时系统（可以交互 但存在资源分配问题 且实现复杂）

批处理虽然效率高，但有个致命伤：用户无法干预。

分时系统：同时装入多个任务，每个任务分配一定的时间和空间运行

分时系统的核心是交互性，通过时间片轮转实现多用户同时在线。

实时系统

实时：为了确定性，必须准时，追求平均响应时间短

微内核系统

微内核：为了可靠性，把系统拆散，坏了能修，常用于高端实时系统。

代价：虽然系统更稳定（一个服务挂了不影响内核），但服务之间需要频繁通信（反复通信），导致性能下降。

操作系统结构演进：从简单到灵活的隔离逻辑

模式 保护域 OS角色（管理 协调） 资源调用

本质上是隔离机制从“无”到“有”、从“粗”到“细”、从“集中”到“分布”的过程

一、库结构（单核结构）：无隔离的“合作模式”

特点是“无内核/用户模式区分”，所有程序都在同一个“保护域”里运行。

• 特点        
  无区分“无内核模式与用户模式区分        
  同域：所有应用程序以及内核都在同一个保护域。         
  资源可用：应用程序可以随时对任何资源做任何操作。         
  程序合作：应用程序间为合作关系，操作系统的角色偏重协调而非管理
• 代价：一错全崩

二、宏内核结构（通用设备）：首次引入“保护域”

到了桌面电脑、必须防止程序间互相干扰。于是出现了宏内核结构，区分用户和内核

• 特点 
  有区分。         
  每个应用程序在不同域。         
  内核的所有功能位于同一个保护域。         
  应用程序必须请求内核完成敏感资源操作。         
  应用程序间为合作或竞争关系，操作系统的协调和管理并重
• 优点：程序间互相隔离，一个程序崩溃不会直接影响其他程序（比如浏览器崩溃不会让Word也崩溃）。
• 缺点：但内核有bug会挂掉。

三、微内核结构 把宏内核中的部分程序拆为守护进程

宏内核内核东西太多，崩了完蛋，拆点功能出来，变成用户态的“守护进程”。

• 隔离升级：内核只保留最基础的功能，其他功能拆为“服务进程”
  有区分，每个应用程序在不同的保护域。         
  内核除基本功能外，其它功能拆解为守护进程。         
  应用程序必须请求守护进程中的策略分配敏感资源。         
  
• 代价：程序间通信会增加开销，但换来的是极高的可靠性和灵活性。

四、外核结构：暴露硬件资源给应用程序

有些场景（如高性能计算、实时系统）对性能要求极高，连微内核的“服务进程通信”开销都嫌大。外核结构的思路更激进：内核只负责“分配硬件资源”，具体怎么用，交给应用程序自己决定。

• 去抽象化：传统内核会把硬件“抽象”成统一的接口，外核直接把硬件“暴露”给应用程序。比如，应用程序可以直接操作硬盘的扇区，不需要经过文件系统的抽象层。
  有区分，每个应用程序在不同的保护域。         
  内核仅负责硬件资源分配与管理功能。         
  应用程序必须自行分配到的硬件资源完成功能。
  去抽象化    将硬件资源直接暴露给应用程序以获得最大性能增益。

五、其他结构：虚拟机与多内核的“扩展”

• 虚拟机结构：本质是“用软件模拟硬件”，每台虚拟机跑自己的操作系统。隔离性最强（不同虚拟机完全独立），但开销也大（需要模拟硬件）。
• 多内核结构：每个核心跑一个内核实例，内核间通过通信协作。

总结：操作系统结构的选择，是“隔离性”与“性能/复杂度”的权衡

• 库结构：无隔离，适合简单设备（性能最高，可靠性最低）。
• 宏内核：基础隔离，适合通用设备（平衡性能与可靠性）。
• 微内核：细粒度隔离，适合高可靠场景（可靠性最高，性能稍低）。
• 外核：极致性能，适合特定高性能场景（灵活性最高，开发难度最大）。