操作系统整体架构

搬出考研时的思维导图

操作系统主要分为

• 批处理系统(老古董，基本不用了)
• 实时操作系统(嵌入式中使用较多，RTOS)
• 分时操作系统(PC中使用较多，Linux，Windows)

分时操作系统和实时操作系统的使用场景不同，没有高低贵贱之分。
注意，Linux是分时操作系统，RT-Linux是实时操作系统

分时系统根据实现的方法不同又可以分为：

• 微内核架构(目前业界没有纯粹的微内核，Harmony号称要做微内核系统)
• 宏/单内核架构
• 混合内核架构(目前Linux和Window都是混合内核，并不是单纯的宏内核)
• 外核架构(只停留在学界，发了几篇论文，压根没有实现)
• 虚拟机架构：在操作系统之下再设一个“操作系统”，这个架构主要使用在云服务上。

分时操作系统的基本组成部分为：

• 进程管理
• 内存管理
• 文件管理
• 设备驱动

实时操作系统的基本组成部分为：

• 任务调度
• 中断管理
• 资源管理
• 时钟和定时器

分时操作系统中也有时钟和定时器，也有中断管理等。在计算机的发展中，老的技术往往并不是被淘汰，而是被集成在底层，就像进程调度和任务调度，进程调度是更高端的任务调度，任务调度的思想以及实现方法并没有被淘汰，而是被集成。

操作系统的工作以及理念

操作系统的三个特性：虚拟化，并发，持久

来自操作系统导论，与考研的可能不太一样。

• 虚拟化，即将底层的硬件进行抽象，提供给软件以虚拟的硬件。例如进程的概念就是对CPU的虚拟化，让每个软件以为自己独占CPU，主要面临的问题是如何在虚拟化的同时不损失过多的性能。
• 并发：多个软件“同时”运行，主要面临的问题是如何调度，确保每个软件都能正常运行，涉及到调度算法，共享资源等问题。
• 持久：保持信息不丢失，主要面临的问题是保存在哪里？跟这些设备如何进行通信。

除此三项之外，操作系统还要确保每个软件和硬件的安全，不会被其他软件破坏，这个功能贯穿在三大特性中的任何地方。
解决以上几项问题的程序，组合到一起构成了操作系统这么一个大程序。

Linux kernel的组成

Linux内核的构成

进程管理

进程管理的主要内容包括：

• 进程模型 & 进程创建 & 进程销毁
• 进程调度算法：Linux中进程分为实时进程，非抢占式进程和正常进程，对于最常用的正常进程，使用的是CFS调度方法，
• 进程间通信 & 进程间共享数据 & 锁

内存管理

主要内容包括：

• 虚拟地址机制 & 虚拟地址下的读取 and 修改
• TTL快表的引入以及相匹配的机制
• 内存分配算法 & 内存管理算法
• 内存共享 & 内存保护

文件系统

• 虚拟设备，spooling技术
• VFS虚拟文件系统
• IO调度
  

除了上面谈到的这三大部分以外，Linux还有网络编程部分，字符设备部分

向上向下：

操作系统向上，需要提供系统调用，例如fork()，exec()，open()，write()这些API，并提供相应的ABI二进制接口供编程语言调用。
操作系统向下，需要根据ISA提供的一系列信息来实现自己的功能，例如中断功能，就需要根据ISA的规定，将负责中断的CSRs设置为相应的状态，并在相应的中断程序入口地址写上相应的处理代码。简而言之就是将软件状态机转化为硬件状态机。

ISA是标准，是软件硬件相互的约定，并不是计算机中实际存在的实体。