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王道操作系统视频 提取码: axin

考纲

1. 操作系统的基本概念
2. 操作系统的发展历程
3. 程序运行环境
   • CPU运行模式：内核模式与用户模式
   • 中断和异常的处理：系统调用
   • 程序的链接与装入：程序运行时内存映像与地址空间
4. 操作系统结构
   • 分层、模块化、宏定义、微内核、外核
5. 操作系统引导
6. 虚拟机

1.1 操作系统的基本概念

1.1.1 操作系统的概念

操作系统(Operating System,OS)：是指控制和管理整个计算机系统的硬件与软件资源,合理地组织、调度计算机的工作与资源的分配,进而为用户和其他软件提供方便接口与环境的程序集合。操作系统是计算机系统中最基本的系统软件。

1.1.2 操作系统的特征

并发

• ^并发

共享

• ^共享

虚拟

• ^虚拟

异步

• ^异步。

(操作系统两个最基本特征：并发和共享)

• 并发和共享^关系

1.1.3 操作系统的目标和功能

1.操作系统作为计算机系统资源的管理者

• （1）^{处理机管理}
• （2）^{存储器管理}
• （3）^设备管理
• （4）^文件管理

2.操作系统作为用户与计算机硬件系统之间的接口

为了让用户方便、快捷、可靠地操作计算机硬件并运行自己的程序,操作系统还提供了用户接口。主要分为两类：命令接口,用户利用这些操作命令来组织和控制作业的执行;程序接口,编程人员可以使用它们来请求操作系统服务。

(1)命令接口

• 主要方式：联机控制方式和脱机控制方式。按作业控制方式的不同,可将命令接口分为^{联机命令接口}和^{脱机命令接口}。

(2)程序接口

程序接口由一组系统调用(也称广义指令)组成。用户通过在程序中使用这些系统调用来请求操作系统为其提供服务,如使用各种外部设备、申请分配和回收内存及其他各种要求。

3.操作系统实现了对计算机资源的扩充

1.1.4本节习题精选

一、单项选择题

二、综合应用题

1.2 操作系统发展历程

1.2.1 手工操作阶段(此阶段无操作系统)

所有工作都要人工干预。随着硬件发展,人机矛盾(速度和资源利用)越来越大。

缺点：1.用户独占全机,虽然不会出现因资源已被其他用户占用而等待的现象,但资源利用率低。

2.CPU等待手工操作,CPU的利用不充分。

1.2.2 批处理阶段(操作系统开始出现)

按发展历程分为单道批处理系统、多道批处理系统(多道程序设计技术出现以后)。

1.单道批处理系统

系统对作业的处理时成批进行的,但内存中始终保持一道作业。单道批处理系统是在解决人机矛盾及CPU和I/O设备速率不匹配的矛盾中形成的。主要特征如下：

• （1）^自动性
• （2）^顺序性
• （3）^单道性

此时面临的问题：每次主机内存中仅存放一道作业,每当它在运行期间(注意这里是“运行时”而不是“完成后”)发出输入/输出请求后,高速的CPU便处于等待低速的I/O完成的状态。为了进一步提高资源的利用率和系统吞吐量,引入多道程序技术。

2.多道批处理系统

特点：

• （1）^多道
• （2）^{宏观上并行}
• （3）^{微观上串行}

多道程序设计技术的实现需要解决以下问题：

1. 如何分配处理机
2. 多道程序的内存分配问题
3. I/O设备如何分配
4. 如何组织和存放大量的程序和数据,以方便用户使用并保证其安全性与一致性

优点：资源利用率高,多道程序共享计算机资源,从而使各种资源得到充分利用;系统吞吐量大,CPU和其他资源保持“忙碌”状态。

缺点：用户响应的时间较长;不提供人机交互能力,用户即不能了解自己的程序的运行情况,又不能控制计算机。

1.2.3 分时操作系统

分时技术：把处理器的运行时间分成很短的时间片,按时间片轮流把处理器分配给各联机作业使用。

分时操作系统：多个用户通过终端同时共享一台主机,这些终端连接在主机上,用户可以同时与主机进行交互操作而互不干扰。

主要特征：

• （1）^同时性
• （2）^交互性
• （3）^独立性
• （4）^及时性

1.2.4 实时操作系统

• 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,诞生了实时操作系统。

主要特点：及时性和可靠性。

1.2.5 网络操作系统和分布式计算机系统

网络操作系统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相互传送。

主要特点：网络中各种资源的共享以及各台计算机之间的通信。

分布式计算机系统是由多台计算机组成并满足下列条件的系统：系统中任意两台计算机通过通信方式交换信息;系统中的任意台计算机都具有同等的地位,即没有主机也没有从机;每台计算机上的资源为所用用户共享;系统中的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。用于管理分布式计算机系统的操作系统称为分布式计算机系统。

主要特点：分布性和并行性。分布式操作系统与网络操作系统的本质不同是,分布式操作系统中的若干计算机相互协同完成同一任务。

1.2.6 个人计算机操作系统

目前最广泛(Windows等)

1.2.7本节习题精选

一、单项选择题

二,综合应用题

01.有两个程序,程序A依次使用CPU计10s、设备甲计5s、CPU计5s、设备乙计10s、 CPU计10s;程序B依次使用设备甲计10s、CPU计10s、设备乙计5s、CPU计5s、设备乙计10s。在单道程序环境下先执行程序A再执行程序B,CPU的利用率是多少？在多道程序环境下,CPU利用率是多少？

02.设某计算机系统有一个CPU、一台输入设备、一台打印机。现有两个进程同时进入就绪态,且进程A先得到CPU运行,进程B后运行。进程A的运行轨迹为：计算50ms,打印信息100ms,再计算50ms,打印信息100ms,结束。进程B的运行轨迹为：计算 50ms,输入数据80ms,再计算100ms,结束。画出它们的甘特图,并说明：
1)开始运行后,CPU有无空闲等待？若有,在哪段时间内等待？计算CPU的利用率。
2)进程A运行时有无等待现象？若有,在何时发生等待现象？
3)进程B运行时有无等待现象？若有,在何时发生等待现象？

1.3 操作系统运行环境

1.3.1 处理器运行模式

在计算机系统中,通常CPU执行两种不同性质的程序：一种是操作系统内核程序;另一种是用户自编程序(即系统外层的应用程序,或简称“应用程序”)。

1. 特权指令,是指不允许用户直接使用的指令,如I/O指令、内存中断指令,存取用于内存保护的寄存器、送程序状态字道程序状态字寄存器等的指令。
2. 非特权指令,是指允许用户直接使用的指令,他不能直接访问系统中的软硬件资源,仅限于访问用户的地址空间,这也是为了防止用户程序对系统造成破坏。

在具体实现上,将CPU的运行模式划分为用户态(目态)和核心态(又称管态、内核态)。应用程序运行在用户态,操作系统的内核程序运行在核心态。

大多数内核操作系统的内核包括4方面的内容。

1. 时钟管理

时钟的第一功能是计时,操作系统需要通过时钟管理,向用户提供标准的系统时间。另外,通过时钟中断的管理,可以实现进程的切换。例如,在分时操作系统中采用时间片轮转调度,在实施系统中按截止时间控制运行,在批处理系统中通过时钟管理来衡量一个作业的运行程度等。

2.中断机制

引入中断技术初衷是提高多道程序运行环境中CPU的利用率,而且主要是针对外部设备的。后来逐步得到发展,形成了多种类型,成为操作系统各项操作的基础。

中断机制中,只有一小部分功能属于内核,它们负责保护和回复中断现场的信息,转移控制权到相关的处理程序。这样可以减少中断的处理时间,提高系统的并行处理能力。

3.原语

按层次结构设计的操作系统,底层必然是一些可被调用的公用小程序,它们各自完成一个规定的操作。它们特点如下：

1. 处于操作系统的最底层,是最接近硬件的部分。
2. 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)。
3. 这些程序的运行时间都比较短,而且调用频繁。

通常把具有这些特点的程序称为原语(Atomic Operation)。定义原语的直接方法是关闭中断,让其所有动作不可分割地完成后再打开中断。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,使它们成为内核的组成部分。

4.系统控制的数据结构及处理

系统中用来实现登记状态信息的数据结构很多。为了实现有效的管理,系统需要一些基本操作,常见操作有3种:

1. 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。
2. 存储器管理。存储器的空间分配和回收、内存信息保护程序、代码对换程序等。
3. 设备管理。缓冲区管理、设备分配和回收等。

1.3.2 中断和异常的概念(建议结合《计组》第五章)

1.中断和异常的定义

中断(Interruption)也称外中断,是指来自CPU执行指令外部的事件,通常用于信息输入/输出,如设备发出的I/O结束中断,表示设备输入/输出处理已完成。时钟中断,表示一个固定的时间片已到,让处理机处理计时、启动定时运行的任务等。

异常(Exception)也称内中断,是指来自CPU执行指令内部的事件,如程序的非法操作码、地址越界、运算溢出、虚存系统的缺页及专门的陷入指令等引起的事件。异常不能被屏蔽,一旦出现,就应立即处理。

2. 中断和异常的分类

• 外中断可以分为^{可屏蔽中断}和^{不可屏蔽中断}。

• 异常可分为^故障、^自陷和^终止。故障异常和自陷异常属于软件中断(程序性异常),终止异常和外部中断属于硬件中断。

3. 中断和异常的处理过程

处理过程大致描述如下：当CPU再执行用户程序的第i条指令时检测到一个异常事件,或再执行第i条指令后发现一个中断请求信号,则CPU打断当前的用户程序,然后转到相应的中断或异常处理程序去执行。若中断或异常处理程序能够解决相应的问题,则在中断或异常处理程序的最后,CPU通过执行中断或异常返回指令,回到被打断的用户程序的第i条指令或第i+1条指令继续执行;若中断或异常处理程序发现是不可恢复的致命错误,则终止用户程序。通常情况下,对中断和异常的具体处理过程由操作系统(和驱动程序)完成。

1.3.3 系统调用

系统调用指用户在程序中调用操作系统所提供的一些子功能,系统调用可视为特殊的公共子程序。系统中的各种共享资源都由操作系统统一掌管,因此在用户程序中,凡是与资源有关的操作(如存储分配、进行I/O传输及管理文件等),都必须通过系统调用方式向操作系统提出服务请求,并由操作系统代为完成。系统调用按功能大致可分为如下几类。

• 设备管理。完成设备的请求或释放,以及设备启动等功能。
• 文件管理。完成文件的读、写、创建及删除等功能。
• 进程控制。完成进程的创建、撤销、阻塞及唤醒等功能。
• 进程通信。完成进程之间的消息传递或信号传递等功能。
• 内存管理。完成内存的分配、回收以及获取作业占用内存区大小及始址等功能。

系统调用的处理需要由操作系统内核程序负责完成,要运行在核心态^原因。用户程序可以执行陷入指令(又称访管指令或trap指令)来发起系统调用,请求操作系统提供服务。

这么设计的目的：用户程序不能直接执行对系统影响非常大的操作,必须通过系统调用的方式请求操作系统代为执行,以便保证系统的稳定性和安全性,防止用户程序随意更改或访问重要的系统资源,影响其他进程的运行。

操作系统的运行环境可以理解为：用户通过操作系统运行上层程序(如系统提供的命令解释程序或用户自编程序),而这个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,当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;也可能使程序运行出现异常情况,被动地需要管理程序的服务,这是就通过异常处理来进入核心态。管理程序运行结束时,用户程序需要继续运行,此时通过相应的保存到程序现场退出中断处理程序或异常处理程序,返回断点继续执行,如果1.3所示。

1.3.4 本节习题精选

单项选择题

1.4 操作系统结构

1.分层法

分层法是将操作系统分为若干层,最底层(层0)为硬件,最高层(层N)为用户接口,每层只能调用紧邻它的低层的功能和服务(单向依赖).分层结构如图1.4.

优点:

1. 便于系统的调试和验证,简化了系统的设计和实现. ^1_4_1
2. 易扩充和易维护. ^1_4_2

问题:

1. 合理定义各层比较困难. ^1_4_3
2. 效率较差. ^1_4_4

2.模块化

模块化是将操作系统按功能划分为若干具有一定独立性的模块.每个模块具有某方面的管理功能,并规定好各模块之间能够通过接口进行通信.还可以进一步将各模块细分为若干具有一定功能的子模块,同时也规定好各子模块之间的接口.这种设计方法称为 模块-接口法.图1.5为由模块、子模块等组成的模块化操作系统结构.

在划分模块时,如果将模块划分得太小,虽然能降低模块本身的复杂性,但会使得模块间的联系过多,造成系统比较混乱;如果划分过大,会增加模块内部的复杂度,显然应在两者间权衡.此外,划分模块时,要充分考虑模块的独立性问题,因为模块独立性越高,各模块间的交互就越少,系统的结构就越清晰.衡量模块的独立性主要两个标准:

• 内聚性,模块内部各部分间联系的紧密程度.内聚性越高,独立性越好.
• 耦合度,模块间相互联系和相互影响的程度.耦合度越低,模块独立性越好.

优点:

1. 提高了操作系统设计的正确性、可理解性和可维护性;
2. 增强了操作系统的可适应性;
3. 加速了操作系统的开发过程

缺点:

1. 模块间的接口规定很难满足对接口的实际需求.
2. 各模块设计者齐头并进,每个决定无法建立在上一个已验证的正确决定的基础上,因此无法找到一个可靠的决定顺序.

3.宏内核

从操作系统的内核架构划分,可分为宏内核和微内核.

宏内核,也称单内核或大内核,指将系统的主要功能模块都作为一个紧密联系的整体运行在核心态,从而为用户程序提供高性能的系统服务.因为各管理模块之间共享信息,能有效利用相互之间的有效特性,所以具有无可比拟的性能优势.

4.微内核

微内核的基本概念

微内核架构指将内核中最基本的功能保留在内核,而将那些不需要在核心态执行的功能移动到用户态执行,从而降低内核的设计复杂性.那些移出内核的操作系统代码根据分层的原则被划分称若干服务程序,它们的执行相互独立,交互则都借助于微内核进行通信.

微内核将操作系统划分为两大部分:微内核和多个服务器.微内核时指精心设计的、能实现操作系统最基本核心功能的小型内核,通常包含:①与硬件处理紧密相关的部分;②一些较基本的功能;③客户和服务器之间的通信.这些部分知识为构建通用操作系统提供一个重要基础,这样就可以确保将内核做的很小.操作系统中的绝大部分功能都放在微内核外的一组服务器(进程)中实现,如用于提供对进程(线程)进行管理的进程(线程)服务器等,它们都是作为进程来实现的,运行在用户态,客户与服务器之间是借助微内核提供的消息传递机制来实现交互的.图1.6展示了单机环境下的客户/服务器模式.

在微内核结构中,为了实现高可靠性,只有微内核运行在内核态,其余模块都运行在用户态,一个模块中的错误只会使这个模块崩溃. ^1_4_4_1

微内核的基本功能

微内核结构通常利用"机制与策略分离"的原理来构造OS结构,将机制部分以及与硬件紧密相关的部分放入内核.微内核通常具有如下功能:

1. 进程(线程)管理 ^1_4_4_2
2. 低级存储器管理 ^1_4_4_3
3. 中断和陷入处理 ^1_4_4_4

微内核操作系统将进程管理、存储器管理以及I/O管理这些功能一分为二,属于机制的很小一部分放入微内核,而绝大部分放入微内核外的各种服务器实现,大多数服务器都要比微内核大.因此,在采用客户/服务器模式时,能把微内核做得很小.

微内核的特点

主要优点：

1. 扩展性和灵活性。^1_4_4_5
2. 可靠性和安全性。^1_4_4_6
3. 可移植性。^1_4_4_7
4. 分布式计算。^1_4_4_8

微内核结构的主要问题是性能问题,因为需要频繁地在核心态和用户态之间进行切换,操作系统的执行开销偏大。为了改善运行效率,可以将那些频繁使用的系统服务移回内核,从而保证系统性能,但这又会使微内核的容量明显地增大。

5.外核

不同于虚拟机克隆真实机器,另一种策略使对机器进行分区,给每个用户整个资源的一个子集^1_4_4_9。在底层中,一种称为外核(exokernel)的程序在内核中运行。它的任务是为虚拟机分配资源,并检查使用这些资源的企图,以确保没有机器会使用他人的资源。每个用户层的虚拟机可以运行自己的操作系统,但限制只能使用已经申请并且获得分配的那部分资源。

优点：①减少了映射层^1_4_4_10。②它将多道程序(在外核内)与用户操作系统代码(在用户空间内)加以分离,而且相应的负载并不重,因为外核所做的只是保持多个虚拟机彼此不发生冲突。

1.5 操作系统引导

操作系统引导是指计算机利用CPU运行特定程序,通过程序识别硬盘,识别硬盘分区,识别硬盘分区上的操作系统,最后通过程序启动操作系统。

常见引导过程如下： ①激活CPU。^1_5_1
②硬件自检。^1_5_2
③加载带有操作系统的硬盘。^1_5_3
④加载主引导记录MBR。^1_5_4
⑤扫描硬盘分区表,并加载硬盘活动分区。^1_5_5
⑥加载分区引导记录PBR。^1_5_6
⑦加载启动管理器。^1_5_7
⑧加载操作系统。

1.6 虚拟机

1.6.1 虚拟机的基本概念

虚拟机时一台逻辑计算机,是指利用特殊的虚拟化技术,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。有两类虚拟化方法。

1.第一类虚拟机管理程序(裸金属架构)

从技术上讲,第一类虚拟机管理程序就像一个操作系统,因为它时唯一一个运行在最高特权级的程序。它在裸机上运行并且具备多道程序功能。虚拟机管理程序向上层提供若干台虚拟机,这些虚拟机是裸机硬件的精准复制品。由于每台虚拟机都与裸机相同,所以在不同的虚拟机上可以运行任何不同的操作系统。图1.7(a)显示了第一类虚拟机管理程序。

虚拟机作为用户态的一个进程运行,不允许执行敏感指令。然而,虚拟机上的操作系统认为子集运行在内核态(实际上不是),称为虚拟内核态。虚拟机中的用户进程认为子集运行在用户态(实际确实是)。当虚拟机操作系统执行了一条CPU处于内核态才允许执行的指令时,会陷入虚拟机管理程序。在支持虚拟化的CPU上,虚拟机管理程序检查这条指令是由虚拟机中的操作系统执行的还是由用户程序执行的。如果是前者,虚拟机管理程序将安排这条指令功能的正确执行。否则,虚拟机管理程序将模拟真实硬件面对用户态执行敏感指令时的行为。

2.第二类虚拟机管理程序(寄居架构)

图1.7(b)显示了第二类虚拟机管理程序。它是一个依赖于Windows等操作系统分配和调度资源的程序,很像一个普通的进程。第二类虚拟机管理程序仍然伪装成具有CPU和各种设备的完整计算器。VMware Workstation是首个X86平台上的第二类虚拟机管理程序。

运行在两类虚拟机管理程序上的操作系统都称为 客户操作系统 。对于第二类虚拟机管理程序,运行在底层硬件上的操作系统称为 宿主操作系统 。

1.6.2本节习题精选

单项选择题

1.7 本章疑难点

1.并发性与并发性的区别和联系

并行性和并发性是即相似又有区别的两个概念。并行性是指两个或多个事件在同一时刻发生,并发性是指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。

在多道程序环境下,并发性是指在一段时间内,宏观上有多个程序同时运行,但在单处理器系统中每个时刻却仅能有一道程序执行,因此微观上这些程序只能分时地交替执行。若在计算机系统中有多个处理器,则这些可以并发执行的程序便被分配到多个处理器上,实现并行执行,即利用每个处理器来处理一个可并发执行的程序。

2.特权指令与非特权指令

所谓特权指令,是指有特殊权限的指令,由于这类指令的权限最大,使用不当将导致整个系统崩溃,如清内存、置时钟、分配系统资源、修改虚存的段表或页表、修改用户的访问权限等。若所有程序都能使用这些指令,则系统一天死机n次都不足为奇。为保证系统安全,这类指令只能用于操作系统或其他系统软件,不直接提供给用户使用。因此,特权指令必须在核心态执行。实际上,CPU在核心态下可以执行指令系统的全集。形象地说,特权指令是那些儿童不宜的东西,而非特权指令是老少皆宜的东西。

为了防止用户程序中使用特权指令,用户态下只能使用非特权指令,核心态下可以使用全部指令。在用户态下使用特权指令是,将产生中断以阻止用户使用特权指令。所以用户程序放在用户态运行,而操作系统中必须使用特权指令的那部分程序在核心态下运行,保证了计算机系统的安全可靠。从用户态转换为核心态的唯一途径是中断或异常。

3.访管指令与访管中断

访管指令是一条可以在用户态下执行的指令。在用户程序中,因要求操作系统提供服务而有意识地使用访管指令,从而产生一个中断事件在(自愿中断),将操作系统转换为核心态,称为访管中断。访管中断由访管指令产生,程序员使用访管指令向操作系统请求服务。

为什么要在程序中引入访管指令呢？这是因为用户程序只能在用户态下运行。若用户程序想要完成在用户态下无法完成的工作,该怎么办呢？解决这个问题要靠访管指令。访管指令本身不是特权指令,其基本功能是让程序拥有“自愿进管”的手段,从而引起访管中断。

处于用户态的用户程序使用访管指令是,系统根据访管指令的操作数执行访管中断处理程序,访管中断处理程序将按系统调用的操作数和参数转到相应的例行子程序。完成服务功能后,退出中断,返回到用户程序断点继续执行。

4.定义微内核结构OS的四个方面

1. 足够小的内核
2. 基于客户/服务器模式
3. 应用“机制与策略分离”原理。^1_7_1
4. 采用面向对象技术。^1_7_2

脚注分割线

^1_7_2. 基于面向对象技术中的“抽象”和“隐藏”原则能控制系统的复杂性,进一步利用“对象”“封装”和“继承”等概念还能确保操作系统的正确性、可靠性、易扩展性等。正因如此,面向对象技术被广泛应用于现代操作系统的设计之中。 ↩

^1_7_1. 机制是指实现某一功能的具体执行机构。策略则是在机制的基础上借助于某些参数和算法来实现该功能的优化,或达到不同的功能目标。在传统的OS中,将机制放在OS的微内核中。正因如此,才可以将内核做得很小。 ↩

^1_5_7. 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。 ↩

^1_5_6. 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)。 ↩

^1_5_5. 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。 ↩

^1_5_4. 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。 ↩

^1_5_3. 硬件自检后,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),把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。 ↩

^1_5_2. 启动BIOS程序后,先进行硬件自检,检查硬件是否出现故障。如有故障,主板会发出不同含义的蜂鸣,启动中止;如无故障,屏幕会显示CPU、内存、硬盘等信息。 ↩

^1_5_1. 激活的CPU读取ROM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,即开始执行BIOS的指令。 ↩

^1_4_4_10. 在其他设计中,每个虚拟机都认为它有自己的硬盘,其盘块号从0到最大编号,这样虚拟机监控程序就必须维护一张表格以重映像磁盘地址(或其他资源),有了外核,这个重映射处理就不需要了。外核只需要记录已经分配给各个虚拟机的有关资源即可。 ↩

^1_4_4_9. 这样,某个虚拟机可能得到磁盘的0至1023盘块,而另一台虚拟机会得到磁盘的1024至2047盘块,等待。 ↩

^1_4_4_8. 客户和服务器之间、服务器和服务器之间的通信采用消息传递机制,这就使得微内核系统能很好地支持分布式系统和网络系统。 ↩

^1_4_4_7. 与CPU和I/O硬件有关的代码均放在内核中,而其他各种服务器均与硬件平台无关,因而将操作系统移植到另一个平台上所需做的修改是比较小的。 ↩

^1_4_4_6. 前面已举例说明。 ↩

^1_4_4_5. 许多功能从内核中分离出来,当要修改某些功能或增加新功能时,只需在相应的服务器中修改或新增功能,或再增加一个专用的服务器,而无须改动内核代码。 ↩

^1_4_4_4. 微内核OS将与硬件紧密相关的一小部分放入微内核,此时微内核的主要功能是捕获所发生的中断和陷入事件,并进行中断响应处理,在识别中断或陷入事件后,再发送给相关的服务器来处理,故中断和陷入处理也应放入微内核. ↩

^1_4_4_3. 在为内核中,只配置最基本的低级存储器管理机制,用于实现将逻辑地址变换为物理地址等的页表机制和地址变换机制,这一部分是依赖于硬件的,因此放入微内核.而实现虚拟存储器管理的策略,则包含应采取何种页面置换算法,采用何种内存分配与回收的策略,应将这部分放在微内核外的存储器管理服务器中. ↩

^1_4_4_2. 进程(线程)之间的通信功能是微内核OS最基本的功能,此外还有进程的切换、进程的调度,以及多处理机之间的同步等功能,都应放入为内核中.例子:为实现进程调度功能,需要在进程管理中设置一个或多个进程优先级队列,这部分属于调度功能的机制部分,应将它放入微内核中.而对用户进程如何分类,以及优先级的确认方式,则属于策略问题,可将它们放入微内核外的进程管理服务其中. ↩

^1_4_4_1. 例如,文件服务代码运行时出了问题,宏内核因为文件服务运行在内核态,系统直接崩溃.而微内核的文件服务是运行在用户态,只要把文件服务功能强行停止,然后重启,就可以继续使用,系统不会崩溃. ↩

^1_4_4. 操作系统每执行一个功能,通常要自上而下地穿越多层,各层之间都有相应的层间通信机制,这无疑增加了额外的开销,导致系统效率降低. ↩

^1_4_3. 因为依赖关系固定后,往往就显得不够灵活. ↩

^1_4_2. 在系统中增加、修改或替换一层的模块或整层时,只要不改变相应层间的接口,就不会影响其他层. ↩

^1_4_1. 第1层可先调试而无须考虑系统的其他部分,因为他只使用了基本硬件.第1层调试完且验证正确之后,就可以调试第2层,如此向上.如果在调试某层时发生错误,那么错误应在这一层上,这是因为它的低层都调试好了. ↩

^原因. 显然,系统调用相关功能涉及系统资源管理、进程管理之类的操作,对整个系统的影响非常大,因此必然需要使用某些特权指令来完成。 ↩

^终止. 终止(Abort)指出现了使CPU无法继续执行的硬件故障,如控制器出错、存储器校验错等。 ↩

^自陷. 自陷(Trap)是一种事先安排的“异常”事件,用于在用户态下调用操作系统内核程序,如条件陷阱指令。 ↩

^故障. 故障(Fault)通常是由指令执行引起的异常,如非法操作码、缺页故障、除数为0、运算溢出等。 ↩

^{可屏蔽中断}. 指通过INTR线发出的中断请求,通过改变屏蔽字可以实现多重中断,从而使得中断处理更加灵活。 ↩

^{不可屏蔽中断}. 指通过NMI线发出的中断请求,通常是紧急的硬件故障,如电源掉电等。此外,异常也是不能被屏蔽的。 ↩

^时间限制. 可分为两种情况。若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,则称为硬实时系统,如飞行器的飞行自动控制系统,这类系统必须提供绝对保证,让某个特定的动作在规定的时间内完成。若能够接收偶尔违反时间规定且不会引起任何永久性的损害,则称为软实时系统,如飞机订票系统、银行管理系统。 ↩

^及时性. 用户请求能在很短时间内获得响应。分时系统采用时间片轮转法方式使一台计算机同时为多个终端服务,使用户能对系统的及时响应感到满意。 ↩

^独立性. 系统中多个用户可以彼此独立地进行操作,互不干扰,单个用户感觉不到别人也在使用这台计算机,好像只有自己单独使用这台计算机一样。 ↩

^交互性. 用户能够方便地与系统进行人机对话,即用户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。 ↩

^同时性. 也称多路性,指允许多个终端用户同时使用一台计算机,即一台计算机与若干台终端相连接,终端上的这些用户可以同时或基本同时使用计算机。 ↩

^{微观上串行}. 内存中的多道程序轮流占有CPU,交替执行。 ↩

^{宏观上并行}. 同时进入系统的多道程序都处于运行过程中,即它们先后开始各自的运行,但都未运行完毕。 ↩

^多道. 计算机内存中同时存放多条相互独立的程序。 ↩

^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进入内存运行,当该程序完成或发生异常情况时,才换入其后继程序进入内存运行。 ↩

^顺序性. 磁带上的各道作业顺序地进入内存,各道作业的完成顺序与它们进入内存的顺序在正常情况下应完全相同,亦即先调入内存的作业先完成。 ↩

^自动性. 在顺利的情况下,磁带上的一批作业能自动地逐个运行,而无须人工干预。 ↩

^并发. Concurrence,并发指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。操作系统的并发性是指计算机系统中同时存在多个运行的程序,因此它具有处理和调度多个程序同时执行的能力。在操作系统中,引入进程的目的是使程序能并发执行。【注意同一时间间隔(并发)和同一时刻(并行)的区别】。 ↩

^共享. Sharing,资源共享即共享,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。共享可分为互斥共享方式、同时访问方式。 ↩

^关系. 两者之间互为存在的条件：1.资源共享是以程序的并发为条件的,若系统不允许程序并发执行,则自然不存在资源共享问题;
2.若系统不能对资源共享实施有效的管理,则必将影响到程序的并发执行,甚至根本无法并发执行。 ↩

^虚拟. Virtual,虚拟是指把一个物理上的实体变为若干逻辑上对应物。用于实现虚拟的技术,称为虚拟技术(操作系统虚拟技术可归纳为：时分复用技术,如处理器的分时共享;空分复用技术,如虚拟存储器)。 ↩

^异步. Asynchronism,多道程序环境运行多个程序并发执行,但由于资源有限,进程的执行并不是一贯到底的,而是走走停停的,它以不可预知的速度向前推进,这就是进程的异步性。 ↩

^{处理机管理}. 在多道程序环境下,处理机的分配和运行都以进程(或线程)为基本单位,因而对处理机的管理可归结为对进程的管理。并发是指计算机内同时运行多个进程,因此进程何时创建、何时撤销、如何管理、如何避免冲突、合理共享就是进程管理的最主要的任务。进程管理的主要功能包括进程控制、进程同步、进程通信、死锁处理、处理机调度等。 ↩

^{存储器管理}. 存储器管理是为了给多道程序的运行提供良好的环境,方便用户使用即提高内存的利用率,主要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功能。 ↩

^设备管理. 设备管理的主要任务是完成用户I/O请求,方便用户使用各种设备,并提高设备的利用率,主要包括缓冲管理、设备分配、设备处理和虚拟设备等功能。 ↩

^文件管理. 计算机中信息都是以文件的形式存在的,操作系统中负责文件管理的部分称为文件系统。文件管理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。 ↩

^{联机命令接口}. 又称交互式命令接口,适用于分时或实时系统的接口。由一组键盘操作命令组成。用户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。用户每输入一条命令,控制权就转给操作系统的命令解释程序,然后由命令解释程序解释并执行输入的命令,完成指定功能。之后,控制权转回控制台或终端,此时用户又可输入下一条命令。(“雇主”说一句话,“工人”做一件事,并作出反馈,这就强调了交互性) ↩

^{脱机命令接口}. 又称批处理命令接口,适用于批处理系统,由一组作业控制命令组成。脱机用户不能直接关于作业的运行,而应事先用相应的作业控制命令写成一份作业操作说明书,连同作业一起交给系统。系统调度到该作业时,由系统中的命令解释程序逐条解释执行作业说明书上的命令,从而间接地控制作业的运行。(“雇主”把要“工人”做的事情写在清单上,“工人”按照清单命令逐条完成这些事,这就是批处理) ↩