汽車電子嵌入式開發(fā)系列50篇（四）-一文讀懂OS操作系統(tǒng)

操作系統(tǒng)

操作系統(tǒng)(Operation System, OS)是管理和控制計算機硬件與軟件資源的計算機程序，是直接運行在“裸機”上的最基本的系統(tǒng)軟件，任何其他軟件都必須在操作系統(tǒng)的支持下才能運行。

操作系統(tǒng)是計算機系統(tǒng)資源的管理者，分為：

處理機管理（CPU）

存儲器管理（內(nèi)存）

文件管理（外存）

設(shè)備管理（I/O）

操作系統(tǒng)是用戶與計算機硬件系統(tǒng)之間的接口，同時也是計算機硬件和其他軟件的接口，分為：

命令接口

程序接口

功能：

管理計算機系統(tǒng)的硬件、軟件及數(shù)據(jù)資源；

控制程序運行；

改善人機界面；

為其他應(yīng)用軟件提供支持，讓計算機系統(tǒng)所有資源最大限度地發(fā)揮作用；

提供各種形式的用戶界面，使用戶有一個好的工作環(huán)境；

為其他軟件的開發(fā)提供必要的服務(wù)和相應(yīng)的接口等。

特征：

并發(fā)：兩個或者多個事件在同一時間間隔內(nèi)發(fā)生；

共享：系統(tǒng)中的資源可供內(nèi)存中多個并發(fā)執(zhí)行的進程共同使用；

虛擬：把一個物理上的實體變?yōu)槿舾蓚€邏輯上的對應(yīng)物；

異步：在多道程序環(huán)境下，允許多個程序并發(fā)執(zhí)行，但因資源有限，進程的執(zhí)行不是一貫到底，而是走走停停，以不可預(yù)知的速度向前推送，這就是進程的異步性。

基本概念

互斥：進程之間訪問臨界資源時相互排斥的現(xiàn)象；

臨界資源：一次僅允許一個進程使用的資源，如 打印機。

臨界區(qū)：每個進程中訪問臨界資源的那段代碼。

并發(fā)：同一時間段有幾個程序都處于已經(jīng)啟動到運行完畢之間，并且這幾個程序都在同一個處理機上運行，但任一個時刻點上只有一個程序在處理機上運行。并發(fā)的兩種關(guān)系是同步和互斥；

并行：單處理器中進程被交替執(zhí)行，表現(xiàn)出一種并發(fā)的外部特征；在多處理器中，進程可以交替執(zhí)行，還能重疊執(zhí)行，實現(xiàn)并行處理，并行就是同時發(fā)生的多個并發(fā)事件，具有并發(fā)的含義，但并發(fā)不一定是并行，也就是說事件之間不一定要同一時刻發(fā)生；

同步：進程之間存在依賴關(guān)系，一個進程結(jié)束的輸出作為另一個進程的輸入。具有同步關(guān)系的一組并發(fā)進程之間發(fā)送的信息稱為消息或者事件；

異步：和同步相對，同步是順序執(zhí)行，而異步是彼此獨立，在等待某個事件的過程中繼續(xù)做自己的事，不要等待這一事件完成后再工作。

線程是實現(xiàn)異步的一個方式，異步是讓調(diào)用方法的主線程不需要同步等待另一個線程的完成，從而讓主線程干其他事情。

多線程：多線程是進程中并發(fā)運行的一段代碼，能夠?qū)崿F(xiàn)線程之間的切換執(zhí)行；

異步和多線程：不是同等關(guān)系，異步是目的，多線程只是實現(xiàn)異步的一個手段，實現(xiàn)異步可以采用多線程技術(shù)或者交給其他進程來處理。

發(fā)展歷程

手工階段

單道批處理系統(tǒng)

多道批處理系統(tǒng)

分時操作系統(tǒng)

實時操作系統(tǒng)

網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)和分布式操作系統(tǒng)

網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)和分布式操作系統(tǒng)的不同之處在于：

在分布式操作系統(tǒng)中，若干臺計算機相互協(xié)同完成同一任務(wù)；

而在網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)中，每臺計算機都是相互獨立的，它們并不能相互協(xié)同完成同一任務(wù)。

CPU的工作狀態(tài)

大多數(shù)計算機系統(tǒng)將CPU執(zhí)行狀態(tài)分為目態(tài)與管態(tài)。

管態(tài)就是 supervisor（管理者） mode 翻譯來的。

那么目態(tài)呢，其實是 object（目標） mode 翻譯來的。

管態(tài)：supervisor（管理者） mode 又叫特權(quán)態(tài)、系統(tǒng)態(tài)或者核心態(tài)。CPU在管態(tài)下可以執(zhí)行指令系統(tǒng)的全集。

如果程序處于管態(tài)，則該程序就可以訪問計算機的任何資源，即 它的資源訪問權(quán)限不受限制。

通常，操作系統(tǒng)在管態(tài)下運行。

目態(tài)：object（目標） mode又叫常態(tài)或用戶態(tài)。機器處于目態(tài)時，程序只能執(zhí)行非特權(quán)指令，不能直接使用系統(tǒng)資源，也不能改變CPU的工作狀態(tài)，并且只能訪問這個用戶程序自己的存儲空間。

科普：為什么叫 object mode 呢？

通常CPU執(zhí)行兩種不同性質(zhì)的程序：一種是操作系統(tǒng)內(nèi)核程序；另一種是用戶自編程序或系統(tǒng)外層的應(yīng)用程序。

對操作系統(tǒng)而言，這兩種程序的作用不同，前者是后者的管理者，因此“管理程序”要執(zhí)行一些特權(quán)指令，而“被管理程序”出于安全考慮不能執(zhí)行這些指令。

因為管理者需要管理它，它就是管理者的管理目標。所以就叫 object mode。

目態(tài)（用戶態(tài)）→管態(tài)（核心態(tài)）

系統(tǒng)調(diào)用：這是用戶態(tài)進程主動要求切換到核心態(tài)的一種方式，用戶態(tài)進程通過系統(tǒng)調(diào)用申請使用操作系統(tǒng)提供的服務(wù)程序完成工作。

系統(tǒng)調(diào)用機制的核心是使用了操作系統(tǒng)為用戶開放的一個中斷來實現(xiàn)。

異常：當 CPU 在執(zhí)行用戶態(tài)程序時，發(fā)生了某些事先不可知的異常，這時會觸發(fā)由當前運行進程切換到處理此異常的內(nèi)核相關(guān)程序中，也就轉(zhuǎn)到了核心態(tài)，如 缺頁異常。

I/O設(shè)備的中斷：當 I/O 設(shè)備完成用戶請求操作后，會向CPU發(fā)出相應(yīng)的中斷信號，這時CPU會暫停執(zhí)行下一條即將要執(zhí)行的指令，轉(zhuǎn)而去執(zhí)行與中斷信號對應(yīng)的處理程序，如果先前執(zhí)行的指令是用戶態(tài)下的程序，那么這個轉(zhuǎn)換的過程自然也就發(fā)生了由用戶態(tài)到核心態(tài)的切換。

例如，硬盤讀寫操作完成，系統(tǒng)會切換到硬盤讀寫的中斷處理程序中，執(zhí)行后續(xù)的操作。

其中，系統(tǒng)調(diào)用可以認為是用戶進程主動發(fā)起的，異常和外部設(shè)備中斷則是被動的。

管理功能

處理機管理：

進程互斥方式：進程（線程）在對臨界資源進行訪問時，應(yīng)采用互斥方式。

進程同步方式：在相互合作去完成共同任務(wù)的諸進程（線程）間，由同步機構(gòu)對它們的執(zhí)行次序加以協(xié)調(diào)。

進程控制：在傳統(tǒng)多道程序環(huán)境中，要是作業(yè)運行，必須先為它創(chuàng)建一個或多個進程，并為之分配必要的資源。當進程運行結(jié)束后，立即撤銷該進程，以便能及時回收該進程所占用的各類資源。

進程同步：為多個進程（含線程）的運行進行協(xié)調(diào)。

進程通信：在多道程序環(huán)境下，為了加速應(yīng)用進程的運行，應(yīng)在系統(tǒng)中建立多個進程，并且再為一個進程建立若干個線程，由這些進程（線程）相互合作去完成一個共同的任務(wù)，而在這些進程（線程）之間又往往需要交換信息。

調(diào)度：在后備隊列上等待的每個作業(yè)或者進程，通常都需要調(diào)度才能執(zhí)行，調(diào)度的任務(wù)，即 將處理機分配給它。

存儲器管理：

內(nèi)存分配：采用靜態(tài)和動態(tài)兩種方式實現(xiàn)內(nèi)存分配數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，以記錄內(nèi)存使用情況，按照一定算法分配，對不再需要的內(nèi)存進行回收。

內(nèi)存保護：確保每道用戶程序都只在自己的內(nèi)存空間運行，彼此互不干擾。

地址映射：編譯后的程序的地址分為邏輯地址和物理地址，多道程序環(huán)境中，每道程序不可能都從 “0” 地址開始，要保證程序運行，則須將邏輯地址轉(zhuǎn)換成內(nèi)存空間中的物理地址。

動態(tài)重定位：在程序執(zhí)行過程中，每當訪問指令或數(shù)據(jù)時，將要訪問的程序或數(shù)據(jù)的邏輯地址轉(zhuǎn)換成物理地址。

實現(xiàn)方法：在系統(tǒng)中增加一個重定位寄存器，用來裝入程序在內(nèi)存中的起始地址。程序執(zhí)行時，真正訪問的內(nèi)存地址是相對地址與重定向寄存器中的地址相加之和，從而實現(xiàn)動態(tài)重定位。

內(nèi)存擴充：從邏輯上去擴充內(nèi)存容量，使用戶所感受到的內(nèi)存容量比實際容量大得多，或者讓更多的程序能并發(fā)執(zhí)行。

設(shè)備管理：

緩沖管理：緩沖區(qū)機制能夠有效緩解 CPU 運行的高速性和 I/O 低速性的矛盾。

設(shè)備分配：設(shè)置設(shè)備控制表、控制器控制表等數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，能夠了解指定設(shè)備當前是否可用，是否忙碌，以及該設(shè)備被分配出去，系統(tǒng)是否還安全。

設(shè)備處理程序：實現(xiàn) CPU 和設(shè)備管理器之間的通信，由 CPU 向設(shè)備控制器發(fā)出 I/O 命令，要求它完成指定的 I/O 操作，反之由 CPU 接收從控制器發(fā)來的中斷請求，并給予迅速的響應(yīng)和相應(yīng)的處理。

文件管理：

文件存儲空間的管理：由文件系統(tǒng)對諸多文件及文件的存儲空間實施統(tǒng)一的管理，對每個文件分配必要的外存空間，提高外存的利用率和文件系統(tǒng)的執(zhí)行速度。

目錄管理：相當于文件的索引，建立目錄項（文件名、文件屬性、文件在磁盤中的物理位置等），方便用戶查詢檢索。

文件的讀/寫管理和保護：防止未經(jīng)批準的用戶存取文件、防止冒名頂替存取文件、防止以不正確的方式使用文件。

交通智能體 任務(wù)調(diào)度 嵌入式

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