操作系统概述

1.1 操作系统基本概念

定义

定义：操作系统是指控制和管理整个计算机系统的硬件和软件资源，并合理组织调度计算机工作和资源的分配，以提供给用户和其他软件方便的接口和环境，是计算机系统中最基本的系统软件

1. 操作系统是系统资源的管理者
   1. 处理机管理
   2. 存储器管理
   3. 文件管理
   4. 设备管理
2. os向上层提供方便易用的服务
   1. 联机命令接口（交互式命令接口）（例如cmd。特点：一句一句执行
   2. 脱机命令接口（批处理命令接口）特点：输入一批命令，一起执行
   3. 程序接口。由一组系统调用（也称为广义指令）组成，只能通过程序代码间接使用
3. os是系统软件，最接近硬件
   1. 实现对硬件机器的扩展
   2. 没有任何软件支持的计算机称为裸机，覆盖了软件的机器称为扩充机器，又称虚拟机

操作系统的特征

并发和共享是os最基本的特征，互为存在条件

1. 并发（基本特性
   1. 并发是指多个时间在同一时间间隔内发生，宏观上同时发生，微观上交替发生
   2. 并行：多个事件在统一时刻同时发生
   3. 操作系统的并发性：计算机系统中“同时”运行着多个程序，这些程序宏观上看是同时运行的，而微观上看是交替运行的
   4. 考点：单核CPU统一时刻只能执行一个程序，各个程序只能并发地执行；而多核CPU统一时刻可以执行多个程序，因此多个程序可以并行执行
2. 共享（基本特性
   1. 互斥共享方式：一个时间段内只允许一个进程访问该资源（称为临界资源
   2. 同时共享方式：允许一个时间段内多个进程“同时”进行访问
3. 虚拟
   1. 虚拟是把一个物理上的实体变为若干个逻辑上的对应物
   2. 虚拟处理器（时分复用技术
   3. 虚拟存储器（空分复用技术
4. 异步
   1. 多道程序环境下，允许多个程序并发进行，但由于资源有限，进程的执行不是一贯到底的，而是走走停停，以不可预知的速度向前推进

操作系统的发展和分类

发展阶段

1. 手工操作阶段
   1. 缺点：用户独占全机；资源利用率低；CPU等待手工操作，CPU利用不充分
2. 批处理阶段（os开始出现
   1. 单道批处理系统（脱机输入输出技术）。缺点：资源利用率低，吞吐量低
   2. 多道批处理系统。优点：多道程序并发执行；缺点：不提供人机交互
3. 分时操作系统：解决了人机交互问题。缺点：不能优先处理紧急任务
4. 实时操作系统：及时性，可靠性
   1. 硬实时系统：必须在绝对严格的时间内完成处理
   2. 软实时系统：接受偶尔违反时间规定
5. 其他操作系统：网络操作系统、分布式操作系统、个人计算机操作系统

错题记录：

1. 实时系统的进程调度采用：抢占式的优先级高者优先

2. 分时系统的一个重要性能是响应时间，对操作系统的（优先级+非抢占式调度算法）因素进行改进有利于改善系统的响应时间

3. 中断技术使得多道批处理系统的IO设备可与CPU并行工作

考点：程序运行的甘特图

操作系统的运行机制

预备知识：程序如何运行？CPU执行一条一条机器指令的过程

• 应用程序 普通程序员写的程序，只能使用非特权指令
• 内核程序 内核包括必不可少的部分，有时候会让CPU执行特权指令

CPU具有两种状态，用户态（又称目态）和内核态（又称管态）

• 处于内核态时，说明正在运行内核程序，可以执行特权指令
• 处于用户态时，说明在运行应用程序，只能执行非特权执行

特权指令：不允许用户直接使用，例如IO指令，置中断指令、存取用于内存保护的寄存器、送程序状态字到程序状态字寄存器的指令

内核态和用户态的切换

• 内核态->用户态：一条修改PSW的特权指令
• 用户态->内核态：中断引起，硬件自动完成

访管指令：将程序的运行由用户态转到核心态，访管指令不是特权指令

中断和异常

中断是让操作系统内核夺回CPU使用权的唯一途径，会使CPU由用户态转变为内核态

中断的类型：

1. 内中断（也叫异常、例外）内中断不可以被屏蔽
   1. 与当前执行的指令有关
   2. 中断信号来自CPU内部
   3. 例如：试图在用户态执行特权指令 / 试图除以0 / 陷入指令（一条特殊的指令，在应用程序想请求操作系统内核的服务）
2. 外中断（狭义的“中断”）
   1. 与当前执行指令无关
   2. 中断信号来自CPU外部
   3. 可屏蔽中断INTR，不可屏蔽中断NMI
   4. 例子：时钟中断（时钟部件发来的中断信号） / IO设备发来的中断信号

异常分为三类：

1. 陷阱（trap
   1. 故意引发的，由陷入指令引发
2. 故障（fault
   1. 错误条件引起，可以被修复
   2. 例如缺页故障
3. 中止（abort
   1. 致命错误，无法修复

中断机制的基本原理

不同的中断信号需要不同中断处理程序来处理，CPU监测到中断信号后会根据中断信号类型查询中断向量表，找到相应的中断处理程序在内存中的存放位置

显然中断处理程序一定是内核程序

系统调用

操作系统为用户提供命令接口和程序接口，其中程序接口由一组系统调用组成

系统调用使操作系统提供给编程人员使用的接口，应用程序可以通过系统调用来请求获得操作系统内核的服务

系统调用和库函数的区别：系统调用更底层，库函数有一些会封装系统调用

• 设备管理
• 文件管理
• 进程控制
• 进程通信
• 内存管理

错题区：

1. 下列操作系统的各个功能组成部分中，不需要硬件支持的是：
A. 进程调度（不需要，由调度算法实现
B. 时钟管理（需要计数器
C. 地址映射（需要寄存器存储基址
D. 中断系统（需要硬件支持

2. 外部中断处理过程中，PC值由中断隐指令自动保存，通用寄存器内容由操作系统保存

3. 时钟中断的主要工作是处理和时间有关的信息以及决定是否执行调度程序，包括系统时间，进程的时间片，延时，使用CPU的时间，各种定时器等等

操作系统的体系结构

分层法

将操作系统分为若干层，最底层为硬件，最高层为用户接口，每层只能调用紧邻它的低层的功能和服务（单向依赖）

优点：

• 便于系统的调试和验证
• 易于维护和扩充

缺点：

• 合理定义每一层比较困难，灵活性差
• 效率较差

模块化

按照功能将操作系统划分为若干个具有独立性的模块

操作系统的内核

内核是操作系统最基本最核心的部分，实现操作系统内核功能的程序就是内核程序

• 时钟管理
• 中断处理
• 原语
• 对系统资源进行管理
  • 进程管理
  • 存储器管理
  • 设备管理

大内核：内核中包含上述四个功能的程序

微内核：内核中只包含上述前三个功能的程序

操作系统引导

知识回顾

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