概论

系统调用表本质是函数指针数组

CPU切换为内核态由CPU自己完成，不由操作系统完成。CPU通过执行软中断指令让CPU运行模式由用户态切换为内核态。与中断和异常响应过程相同。

os最基本的2个特征是:并发和共享。

多道程序设计

即指在内存中装入多个程序，在CPU中交替运行。宏观上并行，微观上串行。

需要解决的问题

如何分配处理器

多道程序的内存分配问题

I/O设备如何分配

如何组织和存放大量程序和数据，方便用户使用，并保证其安全性和一致性。

微内核

微内核使用“机制与策略分离”来构造OS结构。有以下功能

进程/线程管理：

进程/线程之间通信，进程切换/调度。多处理机之间同步。

低级存储器管理：

只配置最基本的，最底层的。如va->pa的页表机制和地址变换机制。

中断和陷入处理：

捕获发生的中断和陷入事件，并进行中断响应处理，识别之后，在发送给相关的服务器处理。

进程与线程

地址空间：进程的地址空间，包含内核地址空间和用户地址空间

内核栈/系统栈/核心栈：内存中属于操作系统空间的一块区域。

用途：

保存中断现场

保存操作系统子程序之间互相调用的参数、返回值、返回点、子程序（函数）的局部变量

用户栈：用户进程空间中的一块区域，用于保存用户进程的子程序之间相互调用的参数、返回值、返回点以及子程序的局部变量

用户态进入核心态，不仅状态需要切换，所用的堆栈也需要由用户堆栈切换为系统堆栈。这个系统堆栈也是属于该进程的。

进程上下文包括三个，用户级上下文，寄存器上下文和系统级上下文 用户级上下文：指令，数据，共享内存、用户栈 寄存器上下文：程序计数器，通用寄存器，控制寄存器，状态字寄存器，栈指针（用来指向用户栈或者内存栈） 系统级上下文：pcb，主存管理信息（页表&段表）、核心栈

PCB中不包含进程地址空间大小。进程地址空间的大小保存在CPU堆栈指针寄存器。

PCB中包含进程打开文件列表指针。

SJF不一定能使平均周转时间最短。

P通过执行系统调用从键盘接受一个字符的输入，顺序是

将进程P插入阻塞队列

用户在键盘上输入字符

启动键盘中断处理程序

将字符从键盘控制器读入系统缓冲区

将进程P插入就绪队列

进程P从系统调用返回

先插入就绪再返回。

修改页表需要在内核态执行

通用寄存器清0不需要在内核态执行。

用户线程由线程库进行管理，创建和调度不需要内核的干预，而且os无法直接调度用户线程。

内核态下,CPU可执行任何指令。用户态只能执行非特权指令。

特权指令

I/O指令:

有关对I/O设备操作的指令

访问程序状态的指令

存取特殊寄存器的指令。

其他指令

中断

单级中断系统中

由硬件完成/由中断隐指令完成

  1. 关中断

  2. 保存断点

  3. 识别中断源

    由中断处理程序完成

  4. 保存现场

  5. 中断事件处理

  6. 恢复现场

  7. 开中断

  8. 中断返回

互斥与同步

mutex lock互斥锁，

用来解决临界区的工具。

在进入临界区的时候获得锁，离开的时候释放锁。

缺点：忙等待，有一个进程在临界区中，任何其他进程进入临界区必须连续循环调用acquire()。多个进程共享一个cpu时，浪费了CPU周期。

互斥锁用于多处理器系统。一个线程可以在一个处理器上等待，不影响别的执行。

信号量

可以用来解决互斥和同步问题，只能被2个标准源语wait(S)和signal(S)访问。

也记作P操作和V操作。

整形信号量

表示资源数目的整形量S，wait操作只要信号量就会不断地的测试。

未遵循“让权等待”的原则，使进程处于“忙等“状态

记录型信号量

不存在“忙等”的进程同步机制。

代表资源数目的int value。

增加一个进程链表L，链接所有等待该资源的进程。

wait操作：S.value--,代表进程请求一个该类资源。S.value<0时，表示该类资源已分配完毕，进程调用block源语，进行自我阻塞。放弃处理机。

插入该类资源的等待队列S.L

遵循了让权等待原则

signal操作：表示该进程释放一个资源，使系统中可供分配的该类资源数+1，

S.value++.

若+1后，则S.L中仍有等待该资源的进程被阻塞。

还应调用wake源语。将S.L中第一个等待进程唤醒。

死锁

资源分配图

圆代表一个进程，框代表一类资源。框中的一个圆代表一类资源中的一个资源。

请求边：从进程到资源的有向边，表示该进程申请一个单位的该类资源。

分配边：从资源到进程的边，该类资源已有一个资源分配给了该进程。

死锁定理：

简化资源分配图可检测系统是否为死锁状态。

找既不阻塞也不孤立的进程（一条有向边与它相连，且该有向边对应资源的申请数量系统中已有的空闲资源数量）

空闲资源数量=资源数量-出度

只要满足这一条件，就将结点与其所有相连的边消去。

只要能消去所有的边，图就是可简化的，就不会死锁。

死锁处理策略

死锁预防:最严格的策略，可以确保系统不发生死锁。

死锁避免:银行家算法。

死锁检测:资源分配图。

内存管理

动态分区分配

使用空闲分区表进行管理。在释放内存时，分3种情况。

在回收区与插入位置后的分区相接时，不仅要修正F2大小，还要修改F2起始地址。

但在回收区与插入位置前的分区相接时，不需要修改地址，只用改大小。

最佳适应产生最多的内存碎片，因为很多小的碎片塞不进去了。

页表基址寄存器保存的是当前进程的一级页表的起始物理地址，对于多级页表来说，顶级页表就是一级页表。

文件管理

文件共享

基于索引结点的共享方式/硬链接:

文件的物理地址，其他的文件属性信息，不放在目录项中，而放在索引结点中。

文件目录中只设置文件名及指向相应结点的指针。

索引结点中有链接计数count，表示链接到本索引结点上的用户目录项的数目。

在count!=0时，不能删除文件，只能删自己目录中的相应目录项，然后count-1

count=0时，才能删除文件。

利用符号链实现文件共享/软链接

符号链的引用计数值直接复制，如果指向的文件被删除了，也不影响。

设备管理

设备独立性/设备无关性：用户在编程序时使用的设备与实际设备无关，一个程序独立与分配给它的某类设备的具体设备，即在用户程序中只指明I/O使用的设备类型即可。

I/O软件层次结构

alt

1用户层I/O软件

实现与用户交互的接口。用户可直接调用在用户层提供的，与I/O操作有关的库函数。对设备进行操作。用户层软件必须通过一组系统调用来获取系统服务。

2.设备独立性软件

用来实现用户程序与设备驱动器的统一接口、设备命令、设备的保护及设备的分配与释放。也为设备管理和数据传送提供必要的存储空间。

3.设备驱动程序

与硬件直接相关。负责具体实现系统对设备发出的操作命令，驱动I/O设备工作的驱动程序。响应中断请求。

每类设备配置一个设备驱动程序。是I/O进程与设备驱动器之间的通信程序。通常以进程形式存在。

4.中断处理程序

用于保存被中断进程的CPU环境，转入相应的中断处理程序进行处理，处理完毕再恢复被中断进程的现场后，返回到被中断进程。

任务：

进行进程的上下文切换

对处理中断信号源进行测试

读取设备状态

修改进程状态

控制I/O设备的I/O操作是I/O控制方式所决定的

1.直接程序控制方式

2.中断驱动控制方式

3.DMA控制方式

4.通道控制方式

I/O通道是专门负责I/O的处理机，是DMA方式的发展，进一步减少CPU干预。

设备保护：是由设备独立性软件完成的。其中的表现就是检查用户是否有权使用设备。

I/O接口/I/O控制器

接收主机发送的I/O控制信号，并实现主机和外部设备之间的信息交换。

磁盘调度

SSTF（Shortest Seek Time First)：最短寻找时间优先.每次寻找离当前磁头最近的磁道。

SCAN/扫描/电梯调度：会换向，而且会到达终点。

CSCAN：不会换向，会到达终点。

不会到达终点的CSCAN,SCAN称为C-LOOK,LOOK

SPOOLing技术

缓解CPU高速性和I/O设备低速性之间的矛盾，引入脱机输入/输出技术。

是os中一项将独占设备改造成共享设备的技术。利用专门的外围控制机，将低速I/O设备上的数据传送到高速磁盘上，或相反。

alt 是一种以空间换时间的技术。

其他

系统初始化需要创建中断向量表，以实现通电自检POST

硬盘分区表在磁盘逻辑格式化之前。

分区完成后，对物理分区进行逻辑格式化(创建文件系统)。

为每个分区初始化一个特定的文件系统，并创建文件系统的根目录。