第一章：操作系统概述

1.1 操作系统概念

1、计算机系统自下而上大致分为4部分:硬件、操作系统、应用程序、用户。

2、操作系统（Operating System, OS）是指控制和管理整个计算机系统的硬件和软件资源，合理的组织、调度计算机的工作与资源的分配，进而为用户和其他软件提供方便接口语环境的程序集合。并充当计算机硬件与用户之间的中介，是计算机系统中最基本的系统软件。

3、OS特征：

①并发性：指计算机系统中同时存在多个运行的程序，OS具有处理和调度多个程序同时执行的能力。

②共享性：指系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程共同使用。按照资源共享的方式不同，分为互斥共享方式和同时共享方式。

互斥共享方式：要求一种资源在一段时间内（即使很微小）只能满足一个请求，否则出现严重后果，如打印机一次响应一个请求。

同时共享方式：通常要求一个请求分为几个时间片段间隔地完成，其效果与连续完成的效果相同。“同时”通常指宏观，而微观上，多个进程可能是交替地对该资源进行访问，即“分时共享”。

并发和共享是OS的两个最基本的特征，二者互为存在条件：资源共享以程序的并发为条件；若系统不能对资源共享实施有效管理，则无法执行并发。

③虚拟性:虚拟指把一个物理上的实体变为若干逻辑上的对应物（用户感觉）。OS虚拟技术分为：时分复用技术，如处理器的分时共享；空分复用技术，如虚拟存储器。

④异步性：由于资源有限，多个并发执行的进程走走停停，已不可预知的速度向前推进，这就是进程的异步性。只要运行环境相同，OS须保证多次运行进程后能获得相同结果。

 

1.2 ​​​​​​​OS的发展与分类

手工操作阶段-->批处理阶段（OS开始出现，单道、多道）-->分时操作系统-->网络操作系统（联机）和分布式计算机系统-->个人计算机（PC）操作系统

 

​​​​​​​1.3 操作系统运行机制

1、CPU执行两种不同程序：一种是OS内核程序、一种是应用程序（即用户自编等程序）。前者通过使用一些特权指令管理后者。

2、特权指令：不允许用户直接使用的指令，如I/O指令、置中断指令等。

3、具体实现：将CPU的状态分为核心态（又称管态、内核态）和用户态（又称目态）。

4、不同OS系统对内核定义不同，大多OS内核包括：

①时钟管理：向用户提供标准系统时间、实现进程间切换等。

②中断机制：提高多道程序运行环境中的CPU利用率，主要针对外部设备；中断机制中仅有一小部分属于内核，负责保护和回复中断现场信息。

③原语：按层次结构设计的OS，底层必然是一些被频繁调用的公用小程序，具有如最接近硬件部分、只能一次性完成、执行时间短且频繁调用特点，这些程序称为原语。（Atomic Operation，原子操作）。如CPU切换、设备驱动、进程通信等功能中的部分操作可定义为原语，使它们称为内核中的组成部分。

④系统控制的数据结构及处理：如进程管理、存储器管理、设备管理等。

5、中断和异常

OS不允许用户程序实现核心态的功能，但它们又必须使用这些功能呢，因此OS可通过“中断”或“异常”实现从用户态进入核心态。

中断也称外中断，指来自CPU指令之外的事件发生。异常也成内中断，指来自CPU指令内部的事件。

6、系统调用

指用户在程序中调用操作系统所提供的一些子功能。在用户程序中，凡是与资源有关的操作都必须通过系统调用方式向操作系统提出服务请求，并由操作系统代为完成。

系统调用按照功能大致分为：设备管理、文件管理、进程管理、内存管理。

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