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蒋炎岩操作系统 笔记1

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导论

为什么学操作系统：知道程序能做什么、为什么能做

什么是操作系统：一种程序，管理软硬件资源，为其他程序提供更好的服务

  • 硬件：时钟驱动下的状态机，一个时钟周期进行一次状态转移
  • 软件：也是一个状态机，执行一条语句，相当于进行一次状态转移

应用视角的操作系统

计算机：无情的执行指令的机器

程序的执行就是状态的变化

任何代码都是状态机；编译器实现了高级语言代码到机器代码两种状态机的翻译；对一个程序，想要将结果传递到程序外，都需要操作系统使用系统调用，可以用 strace 命令查看

各种软件：

  • 可见的：vim、bash、ffmpeg、ip、ssh……
  • 不可见的 daemon：systemd、……

硬件视角的操作系统

硬件视角不知道有操作系统的存在：下层不需要知道上层怎么用，只需要提供服务就行了

操作系统就是一个普通的程序，接管中断、I/O、……

可以看成状态机：

  • 状态：内存、寄存器的数值，外部世界的状态（存在但计算机系统不能直接访问）
  • 初始状态：由系统设计者规定，reset 或者启动时转移到初始状态上来
  • 状态迁移：改变 PC 取指令、响应中断、输入输出

固件（firmware）：固定在系统中的代码，每次 CPU reset 或者 init 时运行所有程序前配置计算机系统，可以说是加载操作系统；正常状态是只读的，但是可以通过特殊方式打开写保护；BIOS 和 UEFI

数学视角的操作系统

程序是一种“数学严格”的对象

将操作系统视为一个管理了若干程序状态机的“更大”的 “main” 状态机；这个 main 状态机每一步执行，都相当于主动随机选择一个程序状态机，然后走一步；而系统调用相当于创建/退出/写入写出状态机

程序定义了一个状态机 G(V,E)G(V,E)，起点 v0v_{0}，以及“坏”的状态 F⊆VF\subseteq V，那么程序正确等价于不存在从 v0v_{0} 到 v∈Fv\in F 的路径

操作系统