操作系统基本概念、特征、发展和分类、运行机制和体系结构

一、操作系统的概念

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，并合理地组织调度计算机的工作和资源的分配，以提供给用户和其他软件方便的接口和环境；它是计算机系统中最基本的系统软件。

从操作系统的概念上可以看出：

1. 操作系统是系统资源的管理者（资源包括软件、硬件、文件等）
2. 作为用户和计算机硬件之间的接口
3. 向上层提供方便易用的服务
4. 操作系统是最接近硬件的一种系统软件

 

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二、操作系统的特征

并发、共享、虚拟、异步

 

2.1 并发

并发和共享是最基本的特征，两者互为存在条件。

并发：指两个或多个事件在同一个时间间隔内发生。这些事件宏观上是同时发生的，但是微观上是交替发生的。

并行：指两个或多个事件在同一时刻同时发生。

 

注！！

单核CPU同一时刻只能执行一个程序，各个程序只能并发地执行

多核CPU同一时刻可以执行多个程序，多个程序可以并行地执行

 

2.2 共享

共享即资源共享，是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。

共享分为：互斥共享方式和同时共享方式。

互斥共享方式：系统中的某些资源，虽然可以提供给多个进程使用，但是一段时间内只允许一个进程访问。如使用QQ和微信视频，同一个时间段内摄像头只能分配给一个进程。

同时共享方式：系统中的某些资源，允许一个时间段内由多个进程同时对它们访问。如可以同时可以一边播放音乐一边看视频，音频设备被两个进程同时共享。

 

2.3 并发和共享的关系

并发性：计算机系统中同时存在着多个运行着的程序。

共享性：系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程共同使用。

1. 如果失去了并发性，则系统中只有一个程序运行，则共享性就失去了存在的意义。
2. 如果失去了共享性，则多个进程无法同时访问共享资源，也就没法实现并发。
3. 所以并发和共享两者互为存在条件。

 

2.4 虚拟

虚拟技术分为：

1. 空分复用技术（如虚拟存储器技术）
2. 时分复用技术（如虚拟处理器）

如果没有并发性就谈不上虚拟性。

空分复用技术：利用存储器的空闲空间分区域存放和运行其他的多道程序，以此提高内存的利用率。

时分复用技术：通过处理机的空闲时间运行其他程序，提高了处理机的利用率。

 

2.5 异步

异步是指，在多道程序环境下，允许多个程序并发执行，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，这就是进程的异步性。

如果失去了并发性，即系统只能串行地运行各个程序，那么每个程序的执行会 一贯到底。

只有系统拥有并发性，才有可能导致异步性。

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三、操作系统的发展和分类
 

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四、操作系统的运行机制和体系结构

4.1 两种指令

指令：处理器（CPU）可以识别、执行的最基本的命令。

特权指令：如内存清零指令，这类指令权限高，不允许用户程序使用。

非特性指令：如普通的运算指令，权限低，对其他用户没有影响。

 

4.2 两种处理器状态

两种处理器状态：用户态和核心态

用户态：此时CPU只能执行非特权指令。

核心态：特权指令和非特权指令都可以执行。

如何改变状态？

内核态 --> 用户态  一条修改PSW的特权指令

用户态 --> 内核态  由中断引起，硬件自动完成

 

4.3 两种程序

内核程序：是系统的管理者，即可以执行特权指令又可以执行非特权指令，运行在核心态。

应用程序：为了保证系统的安全运行，普通应用程序只能执行非特权指令，运行在用户态。

 

4.4 操作系统内核

操作系统内核是计算机上配置的底层软件，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那些程序就是内核程序。

1. 时钟管理用于实现计时功能，分时操作系统中，各个进程的使用的CPU时间计时是使用时钟管理实现。
2. 中断处理：用于实现中断机制。
3. 原语：是一种具有原子性的特殊程序。

 

4.5 操作系统的两种指令，两种处理器状态和两种程序之间的联系

特权指令只能在核心态下执行，内核程序运行在核心态，可以执行特权指令也可以执行非特权指令。

应用程序运行在用户态，只能执行非特权命令。