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4、操作系统结构和发展史

article 2025/3/26 19:24:09

一、操作系统结构

操作系统结构一般有：单体系统、分层结构、微内核、客户-服务器系统、虚拟机和外核。

二、单体系统

1、了解单体系统

单体系统
- 是指整个操作系统作为一个单一的、完整的程序运行。在这种设计中，操作系统的所有功能（如进程管理、内存管理、文件系统、设备驱动等）都集成在一个大的程序中，运行在内核态。
特点：
- 高度集成：所有功能模块都紧密耦合，运行在同一个地址空间。
- 高性能：由于模块之间的调用是直接的函数调用，没有额外的通信开销，因此性能较高。
- 难以维护和扩展：由于所有功能模块都集成在一起，修改一个模块可能会影响其他模块，导致系统难以维护和扩展。
- 可靠性问题：一个模块的错误可能导致整个系统崩溃。

2、结构

在这里插入图片描述

单体系统开发的过程中，遵循以下原则
- 主程序：作为系统的入口点，负责初始化系统并调度其他服务程序。
- 服务过程：直接处理系统调用，是内核与用户空间交互的桥梁。
- 实用（辅助服务）程序：为服务过程提供支持，如数据处理、资源管理等，形成层次化的服务架构。

三、分成系统

1、了解

分层系统
- 其核心思想是将操作系统的功能划分为多个层次（Layer），每一层只依赖于其下一层提供的服务，并为上一层提供服务。这种设计方式通过层次化的结构，提高了系统的模块化、可维护性和可扩展性。

2、结构

在这里插入图片描述

四、微内核

1、了解

微内核
- 其核心思想是将操作系统的最基本功能（如进程管理、内存管理、进程间通信等）保留在内核中，而将其他功能（如文件系统、设备驱动、网络协议栈等）移到用户空间，作为独立的服务运行。

2、结构

微内核之外，系统的结构可以分为三层全部运行在用户态下。

五、客户-服务器模式

1、了解

客户-服务器模式
- 把进程划分为两类：服务器，每个服务器用来提供服务；客户端，使用这些服务。这个模式就是所谓的客户-服务器模式。
- 客户通过发送消息与服务器通信，客户端并不需要知道这些消息是在本地机器上处理，还是通过网络被送到远程机器上处理。对于客户端而言，这两种情形是一样的：都是发送请求并得到回应。

六、计算机启动过程

1、简明启动过程

那么有了上面一些硬件再加上操作系统的支持，我们的计算机就可以开始工作了，那么计算机的启动过程是怎样的呢？下面只是一个简要版的启动过程。

操作系统的启动流程通常分为以下几个阶段：
加电自检（Power-On Self-Test, POST）：
硬件初始化，检查硬件设备是否正常工作。

加载引导加载程序（Bootloader）：
从存储设备（如硬盘、SSD）加载引导加载程序到内存。

引导加载程序执行：
引导加载程序加载操作系统的内核到内存。

操作系统内核初始化：
内核初始化硬件设备、内存管理、进程管理等核心功能。

用户空间初始化：
启动系统服务、加载用户界面（如命令行或图形界面）。

2、linux和Windows启动过程

1）Linux 启动流程
- BIOS/UEFI：执行 POST，加载 GRUB 引导加载程序。
- GRUB：加载 Linux 内核和 initramfs。
- Linux 内核：初始化硬件，挂载根文件系统，启动 init 或 systemd。
- systemd：启动系统服务，加载用户界面。
（2）Windows 启动流程
- BIOS/UEFI：执行 POST，加载 Windows Boot Manager。
- Windows Boot Manager：加载 Windows 内核（NTOSKRNL.EXE）。
- Windows 内核：初始化硬件，启动系统服务（如 SMSS.EXE）。
- 用户登录：加载图形界面，显示登录界面。

3、启动流程的关键技术

BIOS vs UEFI：
- BIOS 是传统的固件接口，使用 MBR 分区表。
- UEFI 是现代固件接口，支持 GPT 分区表和更大的硬盘容量。
引导加载程序：
- GRUB：Linux 常用的引导加载程序。
- Windows Boot Manager：Windows 的引导加载程序。
initrd 和 initramfs：
- 用于在内核启动初期提供临时的根文件系统，以便加载必要的驱动和模块。
systemd：
- 现代 Linux 系统的初始化系统，取代了传统的 init。