第一章 操作系统概述（第二部分）

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目录

四、操作系统结构

分层法

模块化

宏内核

微内核

外核

五、操作系统引导

六、虚拟机

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四、操作系统结构

分层法

将操作系统分为若干层，底层（0层）为硬件，顶层为用户接口，每层只能调用紧邻它的底层的功能和服务（单项依赖）。

• 分层法的优点：
  • 便于系统的调试和实验，简化了系统的设计与实现；
  • 易扩充和易维护。
• 分层法的缺点：
  • 合理定义各层比较困难，显得不够灵活；
  • 层层调用，效率较差。

模块化

这种模式下：内核=主模块+可加载内核模块，而后者（可加载内核模块）只起到锦上添花的作用。

衡量标准：内聚性越高，则耦合性越差；内聚性越高，模块之间的独立性越高。

• 模块化优点：
  • 提高操作系统设计的正确性、可理解性和可维护性；
  • 增强了操作系统的可适应性；
  • 加速了操作系统的开发过程。
• 模块化缺点：
  • 模块间的接口很难满足实际需求；
  • 各模块的设计工作同时进行，无法找到一个可靠的先后顺序。

宏内核

宏内核，又称单内核或大内核，是指将操作系统主要模块作为整体运行在核心态。

优点：各模块之间共享信息，具有性能优势（不用来回在内核态和用户态之间来回切换）。

缺点：随着体系结构和应用需求的不断发展，操作系统提供的服务越来越复杂，会导致宏内核功能过多。

微内核

微内核是指将内核中最基本的功能保留在内核中，不需要在核心态执行的功能转到用户态，从而降低内核设计的复杂性。

• 微内核通常包括：
  • 与硬件处理紧密相关的部分（如中断处理、IO请求等）
  • 一些基本功能
  • 客户与服务器之间的通信
• 基本功能包括：
  • 进程（线程）管理
  • 低级存储器管理
  • 中断和陷入处理

微内核操作系统将进程管理、存储器管理以及IO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，而绝大部分法如微内核外的各种服务器实现，大多数服务器都要比微内核要大。

• 微内核的特点：
  • 拓展性和灵活性：增加功能只要修改或添加相应的服务器，不需要动内核的代码。
  • 可靠性和安全性。
  • 可移植性：windows -> linux 代价较小。
  • 分布式计算：能很好地支持分布式系统和网络系统。

外核

外核为进程分配未经抽象的（连续的）内存资源/硬件资源，负责硬件资源的分配、回收和保护，但是进程相关的工作仍由内核完成。

五、操作系统引导

CPU通过运行特定程序，进而识别硬盘，识别硬盘分区，识别分区上的操作系统，最后通过启动程序加载操作系统中必要的部分到内存中。

引导过程：

1、激活CPU：CPU读取ROM中的boot程序，将指令寄存器IR设置为BIOS（Basic Input Output System：基本输入、输出系统）的第一条指令，开始执行BIOS。

2、硬件自检：BIOS在内存中构建中断向量表，开始进行POST（通电自检）过程：进行通电自检，检查硬件是否存在故障。若有，主板发出不同含义的蜂鸣，启动终止；若无，屏幕显示CPU、内存、硬盘等相关信息。

3、加载带有操作系统的硬盘：BIOS读取CMOS中保存的Boot Sequence，将引导扇区的内容加载到内存中。

4、加载主引导记录（MBR）：硬盘以特定的标识符区别引导硬盘和非引导硬盘，而MBR的作用就是告诉CPU去硬盘的那个主分区找操作系统。

5、扫描硬盘分区表，并加载硬盘活动分区：MBR包含硬盘分区表，MBR扫描硬盘分区表，识别含有操作系统的硬盘分区（又称活动分区），并加载。

6、加载分区引导记录（PBR）：读取活动分区的第一个扇区，寻找并激活分区根目录下用于引导操作系统的程序（这个程序又称启动管理器）。

7、加载启动管理器：PBR搜索活动分区中的启动管理器，并加载。

8、加载操作系统：将操作系统的初始化程序加载到内存中执行。(注意，这里是将必要的操作系统内容加载到内存中，其余的等到需要用到的时候再加载)

六、虚拟机

虚拟机是指利用虚拟化技术，将一台物理机器虚拟化为多台虚拟机器，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。

虚拟机管理程序（Virtual Machine Monitor，VMM）：将一台物理机虚拟化为多个虚拟机器要用到的程序。

第一类VMM：类似于操作系统，是一个运行在最高特权的程序（运行在硬件之上）。

第二类VMM：它是一个依赖于Windows、Linux等操作系统分配和调度资源的程序。Vmware Workstation是首个X86平台上的第二类VMM。

运行在两类VMM上的操作系统都称为客户操作系统，但对于第二类VMM，运行在底层硬件上的操作系统称为宿主操作系统。