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【OS】操作系统概述

news 2025/8/5 20:16:28

几种操作系统

批处理

单道批处理

多道批处理

分时操作系统

CPU的工作模式

CPU模式位（PSW）

特权指令

OS内核

系统调用

示例：read()函数简化例子，x86汇编代码

用户态-->内核态

内核态-->用户态

OS引导

名词

主引导记录MBR

分区引导记录PBR

流程

虚拟机

1型虚拟机管理程序（具有裸金属架构的虚拟化技术）

2型虚拟机管理程序（具有寄居架构的虚拟化技术）

几种操作系统

批处理

单道批处理

内存中只有一道程序
一批程序自动执行
程序之间串行执行
无须人工干预

多道批处理

内存中有多道程序，多个程序交替运行
轮流占用CPU
无法人机交互

分时操作系统

将CPU时间划分为时间片分配给不同程序

实现了人机交互，用户可在很短时间内获得响应

CPU的工作模式

CPU模式位（PSW）

核心态
用户态

特权指令

CPU在内核态才能运行的指令

OS内核

基本功能：

时钟管理
中断机制
原语

资源管理：

进程管理
存储管理
文件管理

系统调用

形如一组打包好的库函数，这些函数的功能需要由OS内核实现

系统调用提供了用户程序和OS内核之间的接口

应用程序通过系统调用来获得OS的服务

示例：read()函数简化例子，x86汇编代码
;函数参数
mov rdi,fd    ;文件描述符
mov rsi,buf    ;缓冲区指针
mov rdx,nbytes    ;要读取的字节数;系统调用号
mov rax,0    ;sys_read的系统调用号是0;触发系统调用
syscall;返回值
mov [buffer],rax    ;将返回值（读取的字节数）存储或处理
准备参数：read()函数的参数被放置在适当的寄存器中。对于Linux x86_64，文件描述符fd放在rdi，指向数据缓冲区的指针buf放在rsi，字节数nbytes放在rdx

设置系统调用号：系统调用read的编号（在Linux中通常是0）放在rax寄存器

执行系统调用：syscall指令触发系统调用，内核接管，执行实际的读操作

处理返回值：系统调用执行完毕后，返回值（通常是实际读取的字节数，或者错误代码）存放在rax寄存器

用户代码中的read()只是一个库函数，并非真正的系统调用指令不会显式地出现在用户代码中

用户会以为自己的read()引发了系统调用，而库函数read()偷偷地执行一个软中断或陷阱指令来发起真正的系统调用

执行软中断/陷阱指令，可以引发自陷异常，导致CPU从用户态陷入到内核态

内核执行完服务程序后，通过sysret指令修改cpu中的模式位，使其回到用户态

用户态-->内核态

用户程序发起系统调用（系统调用本质就是中断）
发生中断，必须陷入内核态由OS内核处理中断
发生异常，必须陷入内核态由OS处理中断
用户程序视图执行特权指令

内核态-->用户态

设置程序状态字寄存器PSW中的CPU模式位，将其置1

OS引导

名词

主引导记录MBR

位于磁盘的0号扇区

磁盘引导程序
分区表信息

分区引导记录PBR

位于系统分区的0号扇区
分区引导程序
操作系统引导程序

流程

计算机启动，电源自检
计算机主板ROM区的BIOS程序被激活，负责初始化硬件，进一步自检
BIOS读取硬盘0号扇区的主引导记录MBR，启动磁盘引导程序
利用磁盘引导程序找到系统分区，在系统分区的0号扇区（PBR）启动分区引导程序，再由分区引导程序启动操作系统引导程序，得知OS内核位置并将其加载入主存