清华大学计算机操作系统网易公开课笔记（持续更新）_计算机操作系统 网易

注：本文使用的所有截图均来自于网易公开课课程

1.开机

开机的时候，内存里的bios先进行外设的自检，然后从硬盘加载bootloader到内存，然后指令转到bootloader的地址，然后再把操作系统加载到内存里，然后指令转到操作系统的地址，由操作系统接管整个机器。

2.中断和异常

中断（interrupt）：来源于外设，系统调用（system call）和异常（exception）来源于应用程序。处理时间：中断异步，异常同步，系统调用异步或同步，同步指你知道这里会发生，异步指你在等待，不知道这里会不会发生。响应：中断，持续，异常，杀死或重新执行，系统调用：等待和持续。

产生中断或者异常，由哪个位置服务呢？我们有个表，一侧称为key，是中断号或者异常号，给他编号可以区分不同的外设的中断，每个编号有个地址，收到中断，查中断表，直接转到地址去执行指令。程序的保存与恢复：中断后程序回到之前状态执行。

• 中断处理过程

硬件：外设产生中断标记，cpu看到标记可以得出是哪号中断，可以得到一个具体的中断号，把中断号发给操作系统。
软件：保存被打断的现场+中断服务程序处理+清除中断标记+恢复之前保存的处理状态。

• 异常处理过程

异常编号，保存现场，异常处理（杀死产生异常的程序或者重新执行异常指令），恢复现场后，重点是，这里可能会修复异常指令后重新执行指令

• 系统调用过程

系统调用接口：操作系统给应用程序提供服务。
如：应用程序代码printf触发系统调用write，包括显示设备和显示内容，获取信息后就会去执行。
操作系统有各自的高级API，应用程序一般直接调用这些高级API，比如win32API用于windows，java API用于JAVA虚拟机（jvm），POSIX用于POSIX-based system（包括unix，linux，macosx），JVM是虚拟在windows和posix上的。

• 操作系统怎样完成系统调用的实现呢？

Interface（应用程序通过library库访问） –> 触发从用户态到内核态的转变（用户态：特权级低，不能访问特权指令和IO指令，内核态：特权级高，可以访问所有的指令，控制权从应用程序交到操作系统 -> 从系统调用ID号，等参数做标识，从而识别并完成对应服务。函数调用：一个堆栈内完成；系统调用，不同堆栈完成

3.1 计算机体系结构和内存分层

• 体系结构

CPU，内存，设备（I/O）

• 内存层次结构

CPU访问的数据包括指令和数据，从CPU往外：寄存器，cache，主存（即物理内存），磁盘（虚拟内存）

• 操作系统的目标

1． 抽象：应用程序不用考虑底层的东西，只要考虑一个连续的逻辑地址空间即可
2． 保护：内存中可同时运行多个不同的应用程序，可能会需要访问想同的内存空间，可能会破坏，需要隔离。
3． 共享：很多应用程序要共享数据，进程之间要交互，使得进程之间能够安全可靠地传递数据
4． 虚拟化：当内存不够的时候，把最需要内存空间的数据放到内存里，暂时不需要访问的数据可以放到硬盘里，硬盘分配出一块虚拟空间。

CPU运行程序时，要把两个部分放到内存中：
（1） 程序本身 （2）程序要使用的数据
操作系统管理内存必须高度依赖硬件

3.2 地址空间和地址生成

• 物理地址空间

主存和硬盘，和硬件直接对应，管理和控制由硬件完成。

• 逻辑地址空间

一个运行的程序看到的内存空间（程序没有直接访问硬盘的权限，需要通过操作系统转化地址，并且方便应用程序自身的访问和控制）是一个简单的一维数据空间。两者形成映射。

• 逻辑地址生成

对一个.c file从硬盘上创建编译汇编链接，再载入到内存中的全过程：（每个部分的逻辑地址都是只对它自己有意义）
1、一个c file，函数位置和变量名字就是它逻辑地址；
2、经过编译后得.s file，还是名字；
3、经过汇编，得到.o file，这时候，语句已经分布到一个它的一维的逻辑地址了，比如，jmp 75，指的是跳到逻辑地址为75的语句
4、再经过链接（多个文件），成为exe file，已经是可以执行但是目前还存放在硬盘里的程序，地址已经进行了全局的分布，不同的.o程序对应到了同一个一维逻辑地址的不同位置，从常规库开始分布，后面是各个文件语句的位置。
5、载入：放在硬盘中的exe文件，通过loader，loader也是一个应用程序，当程序被操作系统放到内存中去运行，loader在上面的逻辑地址加上一个偏移量，得到了内存中的逻辑地址。
1到5步，不需要操作系统参与，通过编译器，通过loader等，就可以完成，接下来，我们要把这个最终得到的内存中的逻辑地址转化成物理地址。
CPU有一个叫MMU，内存管理单元，里面有一块区域，表示了逻辑地址到物理地址的映射关系，也存在内存中的一个位置。我们查这个表，就能知道了。

• CPU执行指令流程

流程：CPU执行一条指令，ALU部件需要发出请求这条指令的内容，参数就是逻辑地址，CPU就去查MMU中的映射表，如果有就找到了物理地址，如果没有就去内存的map中找，然后CPU的控制器给主存发出一个请求，需要这个物理地址的内容，主存通过总线把这个内容通过主线传到CPU，进行执行。操作系统完成的就是在这个流程之前，就建好逻辑地址到物理地址的映射关系。这个关系可以放在内存中，加快速度。

操作系统还要设置逻辑地址空间的基址和界限，以保证内存访问的正确性。超过界限，就抛出异常，按前述异常处理。

3.3 连续内存分配

内存碎片：外碎片，程序分配的区域之间的碎片；内碎片：程序分配之内的碎片
操作系统把程序从硬盘加载到内存中去，需要分配一块空间，常用的分配策略：
首次适配first fit，最优适配best fit和最差适配worst fit
first fit：从零开始，找到的第一个能放得下的空间放它
best fit：最小的可以放得下的空间放它
worst fit：最大的可以放得下的空间放它

3.4 连续内存分配：压缩式与交换式碎片整理

（一）压缩式碎片整理
重置程序以合并孔洞
要求所有程序是动态可重置的
（二）交换式碎片整理
运行程序需要更多的内存
抢占等待的程序&回收它们的内存

4.1 非连续内存分配：分段

可以更好的利用碎片，需要从逻辑地址到物理地址的转换：软件方案带来开销太大，所以要和硬件进行结合。
主要方法：分段方法和分页方法。

分段方法核心问题

如何寻址和怎么实现分段寻址机制？

• 思想
  连续逻辑地址分段后放在不连续的不同段的物理地址中。
• 寻址
  一个逻辑地址，分为一个段号s和段内偏移offset的二元组（s，offset），可以是段寄存器+地址寄存器方案，也可以是两个接在一起的单地址方案。
• 实现
  一个程序，通过CPU执行每条指令，CPU就要进行寻址，即具体的物理地址在哪，逻辑地址分成两部分，第一部分是段号，第二部分是段偏移，操作系统建立一个段表，对于一个逻辑地址的段号作为索引index，在段表里查找出唯一一个二元组（base，limit），这个二元组对应的是物理地址的基址和界限，然后再基址的基础上加上偏移offset即为物理地址。如果超过了界限，就按之前说的，抛出异常，按异常的方法进行处理，流程如下图：
  

4.2 非连续内存分配：分页

和分段一样，也需要页号和页的偏移

把物理内存划分为固定大小的帧；把逻辑地址划分至相同大小的页

划分大小是2的幂，划分数量也是2的幂，这样就能把页号，帧号和页内偏移，帧内偏移都用二级制的位数来代替。

一个物理地址是二元组（f，o）f是帧号，共有2^(f)个帧