操作系统概述与运行环境

本节导读

操作系统这一门从这里开始。大纲的第一章「操作系统概述」列了：基本概念、发展历程、程序运行环境（CPU 运行模式、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）、操作系统结构（分层、模块化、宏内核、微内核、外核）、操作系统引导、虚拟机。

这一节以概念为主，选择题居多。学完你应该能分清哪些操作必须在内核态完成、用户程序怎样通过系统调用进入内核，并能说出一个 C 程序的各种变量运行时放在哪里。它与组成原理第 18 节的异常和中断、第 11 节的程序转换是同一件事的软硬两面，可以对照着看。

操作系统的概念、特征与功能

操作系统是控制和管理计算机硬件与软件资源、合理组织计算机工作流程、为用户提供方便接口的系统软件。它有四个特征：

• 并发：两个或多个事件在同一时间间隔内发生；单处理机上宏观上同时、微观上交替执行。注意与并行（同一时刻同时发生，需要多个处理器）区分。
• 共享：资源可供多个并发进程使用，分互斥共享（如打印机，一段时间只给一个进程用）和同时访问（如磁盘文件可以被多个进程交替读）。
• 虚拟：把一个物理实体变成若干逻辑对应物，如分时使用 CPU 的虚拟处理器、虚拟存储器、虚拟设备。
• 异步：进程以不可预知的速度向前推进，走走停停。

并发和共享互为存在条件，是最基本的两个特征。操作系统的功能是处理机管理、存储器管理、文件管理、设备管理，并向用户提供命令接口、程序接口（系统调用）和图形界面。

发展历程：手工操作 → 单道批处理 → 多道批处理（资源利用率高、吞吐量大，但用户不能交互）→ 分时系统（按时间片轮流服务多个终端用户，交互性好）→ 实时系统（在规定时间内完成，强调及时性和可靠性）→ 网络与分布式操作系统、个人计算机操作系统。

CPU 运行模式与中断、异常

CPU 有两种运行模式：内核模式（核心态、管态）可以执行全部指令；用户模式（目态）只能执行非特权指令。特权指令是会影响系统安全的指令，如 I/O 指令、关中断、设置时钟、修改程序状态字、设置页表基址寄存器。

用户态进入内核态的唯一途径是中断或异常（包括用户程序主动执行的陷入指令）；内核态回到用户态则是内核执行一条修改程序状态字的特权指令（如中断返回）。中断和异常的处理过程：硬件关中断、保存断点和程序状态，根据中断向量表找到处理程序的入口并切换到内核态；处理程序保护现场、完成处理、恢复现场后返回。外部中断与当前指令无关，异常由正在执行的指令引起（故障、自陷、终止）。

系统调用

系统调用是操作系统给应用程序的编程接口，用户程序借助它请求设备管理、文件管理、进程控制、进程通信、存储管理等服务。执行过程：

1. 用户程序在用户态准备参数（放进约定的寄存器或栈中）和系统调用号；
2. 执行陷入（访管）指令，引起异常，CPU 转入内核态；
3. 内核根据系统调用号执行对应的服务例程；
4. 完成后返回用户态，回到用户程序陷入指令的下一条继续执行。

库函数不一定是系统调用：printf 最终会调用 write 系统调用输出，strlen 只在用户态计算长度，不进入内核。

程序的链接与装入

源程序经编译得到目标模块，再链接成装入模块，最后装入内存运行。

环节	方式	说明
链接	静态链接	运行前把各目标模块和库合并成一个完整的可执行文件
链接	装入时动态链接	装入内存时边装入边链接
链接	运行时动态链接	执行中用到某模块时才链接，便于共享和更新
装入	绝对装入	编译时就知道装在哪里，只适合单道程序
装入	可重定位装入（静态重定位）	装入时一次性把逻辑地址改成物理地址，运行中不能移动
装入	动态运行时装入（动态重定位）	装入后仍是逻辑地址，执行时由重定位寄存器加上起始地址，程序可以在内存中移动