1 CPU结构

1.1 CPU结构

os-1-cpu

1.2 CPU寻址

5种寻址方式
- 直接寻址 : [1]
- 寄存器间接寻址 [bx]
- 寄存器相对寻址 [bx + 1]
- 基址变址寻址 [bx + si]
- 相对基址变址寻址 [bx + si + 1]

2 内存管理

2.1 内存申请

libc内部free list
libc申请新逻辑页
- 内核使用伙伴算法，分配物理页，插入页表

os-2-1-malloc

2.2 内存寻址

逻辑地址
线性地址
物理地址

3 进程管理

3.1 进程结构

os-3-1-process

3.2 进程调度

一、中断和异常

进程状态转换
- 中断
  - 时钟中断
  - IO中断
  - 硬件故障
- 异常
  - 陷入：有意识安排，返回下一条指令：系统调用
  - 故障：可恢复错误，返回当前指令：缺页异常、段错误
  - 终止：不可恢复错误、算术溢出、除0、…

二、中断处理

进程状态转换处理流程：
- 中断：保存当前进度，处理中断，返回下一条指令
  1. cpu 取下一条指令
  2. cpu 执行指令
  3. cpu 执行一条指令后，扫描中断寄存器，查看是否有中断信号
  4. 如果有中断，中断硬件保存现场
  5. 中断硬件将触发器的内容送入PSW对应位置，查找中断向量表，调用中断处理程序
- 异常：
  - 1.进入异常时：
    - 保存处理器状态
    - 准备高特权级执行环境
    - 选择并执行合适的异常处理代码
  - 2.处理异常时：
    - 获取异常信息（调用参数、原因等）
  - 3.结束异常时：
    - 恢复处理器状态
    - 返回低优先级
    - 继续执行流

三、系统调用

系统调用：用户调用操作系统功能，包括进程管理、文件管理、设备管理等
系统调用方式：c函数库封装系统调用，用户调用c函数库。每个系统调用都有系统调用号
系统调用执行流程：
1. 中断/异常机制：硬件保护现场，查找中断向量表，调用系统调用入口程序
2. 系统调用入口程序：保存现场，参数压栈，查找系统调用表，调用系统调用例程或内核函数
3. 执行系统调用例程
4. 恢复线程，返回用户程序

3.2 进程通信

进程通信方式：

信号

kill(pid_t pid, int signum) /* 发送 */
signal(int signum, sig_handle_func()) /* 接收： 不阻塞，先恢复信号，再处理 */
sigaction(int signum, ...) /* 接收：阻塞，先处理，再恢复信号 */

信号量

2.1 无名信号量

int sem_init(em_t *sem, int pshared, unsigned int value); /* 进程内,线程同步 */
int sem_wait(sem_t *sem); /* 加锁 */
int sem_post(sem_t *sem); /* 解锁 */

2.2 有名信号量

sem_t *sem_open(const char *name, int flag);

消息队列

int msgget(key_t key, int msgflg); /* 创建 */
int msgsnd(int msqid, const void *data, size_t datasz, int msgflag); /* 发送 */
ssize_t msgrcv(int msqid, void *data, size_t datasz, long msgtype, int msgflag); /* 接收 */

管道

4.1 无名管道

int pipe(inf fd[2]); /* 创建：0读1写 */
int write(int fd, void *data, size_t datasz); /* 发送 */
int read(int fd, void *data, size_t datasz); /* 接收 */

4.2 有名管道

int mkfifo(const char *file, mode_t mode);  /* 创建 */

共享内存
套接字

3.3 锁

线程锁
- 自旋锁
- 读写锁
线程死锁
- 预防
  - 避免互斥访问
  - 不允许持有并等待
  - 不允许资源抢占
  - 打破循环等待（按特定顺序获取资源）
- 解决
  - 银行家算法
    - 获取资源需管理者同意
    - 管理者预演不会造成死锁

4 文件管理

os-4-1-filesys

文件系统崩溃一致性
- 一致性属性
  - 持久化
  - 原子性
  - 有序性
- 一致性实现
  - 日志
    - 缺点：日志多次读写占用IO
    - 改进：批量写日志 + 检查点

5 设备管理

分类
- 字符设备：LED、键盘、串口
  - 顺序访问：内次读取一个字符
  - 通过驱动与设备交互
- 块设备：内存、磁盘、u盘
  - 随机访问：以块粒度进行读写
  - 系统层增加缓冲区，避免与慢设备频繁交互
- 网络设备：网卡
  - 面向格式化报文的收发
  - 驱动以上维护多种协议
设备管理
- 字符抽象：文件系统：open/read/write/close
- 块抽象：文件系统、mmap
- 网络抽象：socket、文件系统：sockent/send/recv/close
CPU与设备交互
- 可编程IO：cpu的in/out load/store指令
  - 特点
    - 消耗CPU时钟周期与数据量成正比
    - 适合于小型设备
  - 分类
    - PIO (port IO)
      - IO设备具备独立的地址空间
      - 使用特殊指令 in/out
    - MMIO (Memory-mapped IO)
      - 将设备映射到连续物理内存中
      - 使用内存访问指令
        行为与内存不完全一样，读写有副作用
- 直接内存访问 DMA：外设可直接访问总线
  - 特点
    - DMA与内存交互传输数据，无需CPU参与
    - 适合与高吞吐量IO
  - 结构
```
                  [CPU]
                    |
                [高速缓存]
                    |
----+---------------+--------------+--------- 系统总线
    |                              |
[DMA控制器]                      [内存]
    |
----+---------------------------------------- PCI总线
    |
  [外设]
```
  - 读取步骤
    - 1.CPU中驱动发出请求，将设备数据读取至内存地址x
    - 2.外设初始化DMA传递，将数据传送到数据DMA控制器
    - 3.DMA将数据传送至内存地址x
    - 4.DMA传输完成后，向CPU发出中断
    - 5.PU执行每条指令后，检查中断是否到来

操作系统 1 总结

目录

1 CPU结构

1.1 CPU结构

1.2 CPU寻址

2 内存管理

2.1 内存申请

2.2 内存寻址

3 进程管理

3.1 进程结构

3.2 进程调度

一、中断和异常

二、中断处理

三、系统调用

3.2 进程通信

3.3 锁

4 文件管理

5 设备管理

目录#

1 CPU结构#

1.1 CPU结构#

1.2 CPU寻址#

2 内存管理#

2.1 内存申请#

2.2 内存寻址#

3 进程管理#

3.1 进程结构#

3.2 进程调度#

一、中断和异常#

二、中断处理#

三、系统调用#

3.2 进程通信#

3.3 锁#

4 文件管理#

5 设备管理#

目录

1 CPU结构

1.1 CPU结构

1.2 CPU寻址

2 内存管理

2.1 内存申请

2.2 内存寻址

3 进程管理

3.1 进程结构

3.2 进程调度

一、中断和异常

二、中断处理

三、系统调用

3.2 进程通信

3.3 锁

4 文件管理

5 设备管理