Introduction

参考补充的范围

本页标为“参考补充”的段落对照 NoughtQ：Introduction 选题，重新组织解释与例子；具体实现另附一手资料。课堂时间线保持原样，参考笔记中的往年考试范围不作为本学期要求。来源与许可见页末。

what is a OS?

• 硬件 (hardware)：包括 CPU、内存、I/O 设备等，为系统提供了基本的计算资源
• 操作系统(operating system)：控制硬件，并协调其在不同应用程序之间，以及不同用户之间的使用
• 系统程序 (system programs) 和应用程序 (application programs)：定义了用硬件资源解决用户计算问题的方法，比如字处理器、电子表格、编译器、网页浏览器等
• 用户 (user)：人、机器或其他计算机

图中的 operating system，此时应该称为 kernel

• 教科书式的字面定义：A program that acts as an intermediary between a user of a computer and the computer hardware（在用户与计算机硬件之间充当媒介的一个程序）

  • 目标：execute user programs and make solving user problems easier；make the computer system convenient to use；use the computer hardware in an efficient manner
  • 这个定义非常抽象、"摸不着"——只说了 OS 是一个程序、是个媒介，没说它到底做了什么

• 一个更直观的理解：把其他所有程序都关掉，还始终在运行的那个程序，就是操作系统

• 它干两件事：一方面给用户提供方便性，另一方面把计算机的资源管理起来——最大程度地利用内存、处理器、硬盘、各种 I/O 设备，以高效的方式向用户提供服务
• 更精确一点的定义（OS 包括什么）：
  • resource allocator（资源分配器）：管理计算机硬件的各种资源（有时甚至包括软件资源）
  • control program（控制程序）：控制程序的运行与停止，控制用户对计算机的使用（如你点了一下鼠标，应用程序怎么知道？是操作系统的一种服务告诉它的）
• 注意：OS 没有公认的定义 (no universally accepted definition)；"厂商发行操作系统时给你的一切"是个不错的近似，但差异很大

Kernel

• 教材用 the one program running at all times on the computer 描述内核的持续存在；应理解为系统运行期间内核持续承担管理职责，不是 CPU 每时每刻都在执行内核指令。应用程序也会直接在用户态执行。
  • 常驻的系统服务也可以长期存在，但“是否一直存在”并不足以区分它与内核。

• Kernel 与 Operating System 的关系

  • 前文对 operating system 的定义（控制硬件，并协调其在不同应用程序之间、不同用户之间的使用）描述的是这一层的职责；真正直接与硬件打交道、承担这些职责的核心程序就是 kernel
  • 广义 operating system = kernel + system programs：内核之外还包括随系统发行的系统程序（shell、窗口系统、文件管理工具等），其中一些服务也会常驻
  • 狭义 operating system = kernel：图 1.1 中间那层 "operating system"，实际画的就是 kernel（所以图中称 operating system，此时应称为 kernel）
  • 对比总结
    • kernel：在受保护的特权模式下管理资源的核心；具体权限层次与代码规模取决于体系结构和内核设计
    • operating system：更宽泛的概念，通常按"厂商发行了什么"界定，以 kernel 为核心

• "kernel 是一个 program"只是暂时的说法：随着逐步去开发一个 kernel，你会发现它更像是一种服务 (service)——kernel 里有大量代码和数据结构，可供外部程序调用

Boot

• bootstrap program is loaded at power-up or reboot
  • Stored in ROM or EPROM, known an firmware
  • Initialize all aspects of system
  • Loads operating system kernel and starts execution
• 启动过程可以有多个阶段：固件先执行，再由引导加载程序加载内核；不能把所有阶段都理解成同一段固化在 ROM 中的代码。详细流程留到 System Boot。

Computer Organization

• memory：所有指令和数据都存放在内存；指令从 memory 加载到处理器执行（取指, fetch）
• CPU：里面有一大堆寄存器 (register)——放指令、放操作数、维护 stack pointer 等关键信息；程序切换运行时要更新寄存器组 (register set)
• I/O 设备：显卡/GPU（最早用于绘图，"阴差阳错"变成通用 AI 计算）、USB 外设（鼠标、键盘）、硬盘等
  • 设备本身提供各种资源：磁盘是存储资源、内存是内存资源、鼠标键盘是 I/O 资源、GPU 含处理资源——连同处理器本身，都需要 OS 来管理
• device driver（设备驱动程序）：设备的控制器由软件来驱动管理，这个软件就是 device driver，是 OS 的一部分；装一个新设备，OS 里就多一个对应驱动
• CPU 本质上做的事情很简单：不停地在 memory ↔ register 之间搬数据、运行指令、给设备控制器发指令让它工作
• 中断 (interrupt)：设备完成操作后通过中断通知 CPU——"我做完了，数据给你了，你来处理"；但中断打断的是正在运行的程序，所以 OS 必须及时介入，判断是哪个设备发出的中断、接下来干什么——中断处理由 OS 提供

设计哲学

• Sharing（共享）：OS 把计算资源分享给不同的用户、不同的程序（以后称为进程）
  • 例如处理器调度：CPU 定期或不定期地释放自己正在处理的任务，转去运行一段无关的代码，由这段代码选择下一个占用处理器的程序——以此实现 CPU 在多个程序之间的共享
• Isolation（隔离）：我的程序就是我的程序，你的程序就是你的程序；kernel 与 everything else 划清界限，但外部程序可以调用 kernel 提供的服务（如往屏幕输出文字）
• Abstraction（抽象）：进程、线程、文件、virtual memory、调度、文件系统……这些概念全是 OS 创造出来的，是人类智慧的结晶——有计算机之前它们并不存在
• Isolation 与 Sharing 是相冲突的：隔离 = 不要搞在一起，共享 = 要搞在一起。OS 通过 Abstraction 实现了这对对立的统一——既共享资源，又保证有序、互不搅和（现在没感觉没关系，越学越具体）

参考补充：用三条主线串起后续章节

主线	要解决的问题	课程中的落点
Virtualization（虚拟化）	怎样让多个程序方便地使用有限的物理资源？	用进程和调度分享 CPU，用虚拟地址空间组织和隔离内存
Concurrency（并发）	多条执行流交错访问共享状态时，怎样保持正确？	线程、锁、同步与死锁
Persistence（持久化）	程序退出、重启甚至崩溃后，怎样保留数据？	文件、目录、文件系统与恢复机制

这里的虚拟化比“运行一台虚拟机”更宽泛。并发问题在单核交错执行时也会出现，并不要求多核同时运行。三条主线与课堂的 sharing / isolation / abstraction 是观察同一系统的不同角度。参见 OSTEP 第 2 章。

Interrupt & Trap

• 中断处理流程（微观视角）：
  1. 中断发生，控制转到 OS——具体就是处理器跳转到中断向量 (interrupt vector)：一张存有所有中断服务程序地址的表，用下标 (index) 定位到对应表项
  2. 控制转到该地址指向的代码，即中断服务程序 (interrupt service routine)
  3. 以 I/O 中断为例：输入数据暂存在 kernel 里，中断从 kernel 返回用户程序时，再把数据拷贝给用户程序
• An operating system is interrupt driven——中断是 OS 极其重要的组成部分
• 中断的分类：
  • interrupt（硬中断）：由硬件触发
  • trap（软中断）：由软件引起，又分两种：
    • error/异常：例如非法访问；异常可能被修复后继续执行，也可能导致程序收到信号或终止。按需分页产生的缺页异常不一定是程序错误
    • system call（系统调用）：用户程序故意调用系统提供的服务（如输出一段文本到 terminal）——这个词要牢牢记住，以后要自己实现
• RISC-V 术语对照（实验基于 RISC-V，看手册别被术语迷惑）：
  • Trap 是控制权转移的总称，原因分为 interrupt（异步中断）与 exception（同步异常）；ecall 属于后者
  • 用户态系统调用通常通过 environment call (ecall) 请求执行环境服务；ecall 也能用于其他执行环境调用，不能脱离运行模式把它一概等同于用户态系统调用。术语依据：RISC-V 特权架构导论

参考补充：中断与轮询

Polling（轮询）由 CPU 主动检查设备状态；interrupt（中断）由事件通知 CPU 进入处理入口。比如等待磁盘完成时，可以反复读状态寄存器，也可以先运行别的任务，待完成中断到来再收尾。

轮询可能消耗 CPU 时间，中断也有保存现场与处理开销，因此两者可以结合使用。不要将“中断驱动”理解为所有 I/O 都只用中断，也不要将“同步 I/O”直接等同于“CPU 忙等”。

中断控制器与 IRQ（x86 示例）

• CPU 之外有一块专门的芯片：中断控制器 (interrupt controller)，老 Intel 架构中就是 8259
• 把 CPU 想象成特别忙的明星：不可能亲自接所有通告，它只与"助理"（中断控制器）对接；外部各种中断请求通过 IRQ（interrupt request，中断请求线路的编号） 汇入，不同中断类型有不同的 IRQ 编号
• 两次中断应答的握手流程（8259A 的 8086/8088 模式）：
  1. 设备（如打印机）任务完成，8259 向 CPU 发中断请求："数据搬运好了，你要不要接管继续处理？"
  2. 第一次 INTA：8259A 确定被响应的请求，设置相应的 in-service 位并清除 pending 位；这一周期不向数据总线输出向量号
  3. 第二次 INTA：8259A 将中断向量号放到数据总线上，供 CPU 读取
  4. CPU 开始正式执行中断服务程序 (ISR)

应答中断不等于处理完成

非自动 EOI 模式下，处理程序还需要发送 EOI（End of Interrupt），清除控制器的相应 in-service 状态。设备侧的中断原因也需按设备协议处理。第二次 INTA 不能概括为“撤销 IRQ、处理完毕”。核对依据：Intel 8259A 数据手册，第 7、9 页。

I/O

• I/O 与中断密切相关，宏观上由 OS 管理（也存在不牵涉具体物理设备的 I/O，以后会见到）
• 流程：用户程序通过 system call 发起 I/O 请求 → 设备执行 I/O → 完成后设备发起中断 → 控制转到中断处理程序 → 中断返回，用户程序拿到 I/O 结果继续运行
• 两种 I/O 模式：
  • 同步 (synchronous)：I/O 操作完成后控制才返回调用程序（C 语言里的 read / fread 就是同步的）
  • 异步 (asynchronous)：I/O 操作还没完成，控制就已经返回调用程序
• 课堂演示（同步 vs 异步）：read() 同步读 4 秒——期间 UI 完全冻结、无任何更新；换成 POSIX aio_read() 异步读——UI 持续保持响应
• 这里演示的是在执行 UI 更新的线程里等待 I/O 的情形；不能据此认为同步 I/O 一定会让整个系统停下来，也不能据演示的吞吐数字判断异步总比同步快。

9 月 17 日补记的依据

原笔记停在同步/异步 I/O；下文补到 Process Management，与第二章开头的内存、存储和 I/O 管理衔接。依据为智云课堂 2026-09-17 第 7–8 节的 PPT 截图 ppt_037–ppt_052（课件页码 1.34–1.50）。该录像约 07:03–50:30 的字幕混入了其他课程内容，这一段按课件整理，不作为老师口述的逐字记录。

Device-Status Table

• 设备状态表为每个 I/O 设备保留一个条目，记录设备类型、地址和状态（如 idle / busy）。
• 忙碌设备还可以关联等待处理的请求队列；请求里包含操作类型、数据地址、长度等信息。
• 区分三个容易混淆的对象：interrupt vector 用于找到中断处理入口；device-status table 用于管理设备及请求；CPU context 保存被打断程序的 PC、寄存器等执行状态。

DMA：批量搬运数据

Direct Memory Access（直接内存访问）用于高速 I/O：CPU 设置传输任务后，由控制器在设备缓冲区与主存之间搬运数据块，CPU 不必逐字节参与搬运。

1. CPU / 驱动准备缓冲区并设置传输方向、地址和长度。
2. 控制器完成数据传输，CPU 可以处理其他工作。
3. 传输完成后通知 CPU，由 OS 做后续处理。

课件用“每块一次中断，而非每字节一次中断”说明减少 CPU 开销的思路。DMA 仍需要 CPU / OS 配置与收尾；它解决的是谁搬数据，同步/异步解决的是调用何时返回，两者是不同维度。

Storage Structure 与 Hierarchy

• Main memory（主存）：CPU 可直接寻址的大容量工作存储，程序的指令和数据要进入这一层才能执行、处理。
• Secondary storage（二级存储）：提供较大容量、非易失的存储，如硬盘、SSD。CPU 访问磁盘文件通常需要通过 I/O 将数据送入主存。
• 机械磁盘的盘面按 track（磁道）、sector（扇区）组织；disk controller 负责与主机的交互。不要把机械磁盘结构直接套用到 SSD。

存储层次与缓存

典型层次是 register → cache → main memory → secondary storage。越靠近 CPU，通常访问越快、容量越小、每字节成本越高；易失性也是区分存储层次的重要维度。

• Caching：把较慢一层的数据复制到较快的一层，以便后续访问更快；主存也可以用来缓存二级存储中的内容。
• 同一份数据可能同时出现在磁盘、主存、cache、register 中，因此必须考虑哪一份是有效值，以及修改如何对其他使用者可见。
• 多处理器可能各有 cache，需要 cache coherence（缓存一致性）机制协调副本。它不替代程序中的同步：共享数据仍可能发生竞争。
• 课件性能表的容量和延迟是示例，学习重点是层次间的数量级差异，不把表中数字当成所有机器的固定参数。

Multiprocessor、Multicore 与 NUMA

参考补充：先区分芯片、核心和执行上下文

• Processor / package 常指一颗物理处理器芯片；一颗芯片可以包含多个 core（核心）。
• OS 可调度的 logical CPU（逻辑处理器）不一定与核心一一对应；支持 SMT 的核心可呈现多个硬件执行上下文。
• RISC-V 的 hart（hardware thread）指硬件执行线程；不要与软件创建的线程混淆。“CPU”在教材和工具中可能指不同层次，要看上下文。

因此，“8 个逻辑 CPU”不能直接推出“8 颗芯片”，也不能推出任意程序一定能加速 8 倍；任务可并行的程度、同步和内存带宽都会限制收益。

概念	课件中的结构	对 OS 的影响
SMP（对称多处理）	各处理器有自己的寄存器，通过互连共享物理内存	在处理器之间分配任务，协调共享数据访问
Multicore（多核）	一块芯片包含多个执行核心；课件例子中各有 L1，共享 L2	可并行执行，片内通信通常比跨芯片通信更便宜
NUMA（非一致内存访问）	不同 CPU / 节点连接各自的本地内存，也能经互连访问远端内存	远端访问较慢，调度和内存分配要一起考虑数据局部性

NUMA 的关键是访问不同位置的内存，代价不同。例如一个任务的数据主要位于某节点，调度时让它尽量靠近该节点，可以减少远端访问。多核并不规定所有机器都采用课件中的 cache 共享方式。

Multiprogramming 与 Multitasking

来源：9 月 17 日课件 1.45–1.46；9 月 20 日 12:03–14:30 的随堂题再次解释了两者目的。

概念	核心目标	基本做法
Multiprogramming（多道程序设计）	提高 CPU utilization，尽量让 CPU 有活干	内存中保留多个作业，一个等待 I/O 时切换到另一个可运行作业
Timesharing / Multitasking（分时 / 多任务）	改善 interactivity，让用户及时得到响应	更频繁地切换任务，使多个程序都能持续取得进展

• 一个任务等待 I/O，不意味着 CPU 必须跟着空闲；OS 可以调度其他任务。
• 单核上通过交替运行实现并发；多核才可能让多个任务在同一时刻真正并行执行。
• 多个任务同时准备好时，需要 CPU scheduling；任务的数据放不下时，需要内存管理、换入换出等机制。
• Virtual memory 允许进程在并非全部内容都驻留物理内存的情况下运行，后续内存管理章节会展开。

Dual Mode 与 Timer

用户态和内核态

OS 需要保护自身和其他程序，防止用户程序任意访问资源或修改系统状态。

• User mode：应用程序通常执行的权限级别。
• Kernel mode：内核处理受保护操作时使用的权限级别；某些 privileged instructions（特权指令）只能在相应高权限下执行。
• 区分模式需要硬件支持，不能仅靠程序自觉遵守。课件用 mode bit 表示两种模式；具体体系结构可能有更多特权级。
• 用户程序主动请求内核服务时使用 system call；硬件中断和异常也可能把控制权交给内核。进入内核并不只有系统调用这一种原因。

参考补充：模式切换不等于进程切换

操作	改变的是什么？	例子
Mode switch（模式切换）	CPU 执行的权限级别	进程 A 发起系统调用，由用户态进入内核态
Context switch（上下文切换，此处指调度切换）	当前运行的线程 / 进程及其执行现场	A 等待磁盘，调度器改为运行 B

一个立即完成的系统调用可以按 A 用户态 → 内核为 A 服务 → A 用户态返回，期间没有调度到 B。若 A 阻塞，才可能发生 A 进入内核 → 切换到 B → 日后恢复 A。两者经常出现在同一路径上，却不是同一个动作。

Timer：OS 怎样重新拿回 CPU？

用户程序即使执行死循环、从不主动系统调用，OS 也必须能重新获得控制权。因此，OS 在交出 CPU 前设置定时器，由硬件在到期时触发中断。

运行用户程序 → 定时器到期 → 进入内核的中断处理 → 根据调度策略继续当前任务或切换任务。

定时器提供“到期打断”的能力，调度器决定“接下来运行谁”。不要把时间片到期直接等同于终止进程，也不要把课件的倒计时示意理解为 OS 必须占着 CPU 不断递减计数。

Process Management

• Program 是静态的程序，process 是程序的一次执行。进程需要 CPU、内存、I/O、文件等资源，结束时 OS 要回收可复用的资源。
• 单线程进程只有一条执行流，可用一个 PC 描述其下一条指令位置；多线程进程中的每个线程各有执行位置和上下文。
• OS 的进程管理职责包括创建与删除、挂起与恢复、调度，以及提供同步、通信和死锁处理机制。
• 多个进程可以共享 CPU 时间，但不能因此随意访问彼此的数据；这里同时体现 sharing 与 isolation。

内存管理、存储管理与 I/O 子系统的概述接在第二章笔记开头，保留原有课堂记录的顺序。

参考来源与许可

• 选题与补充参考：NoughtQ，Introduction（Markdown 源文件），访问日期 2026-09-22。
• 原仓库采用 CC BY-NC-SA 4.0。本页参考补充对相关内容作了重组、改写并加入辨析；其中改编内容按同一许可提供。
• 一手核对资料见对应段落中的 OSTEP、RISC-V 手册与 Intel 数据手册链接。