计算机操作系统学习笔记（一）

第一章 操作系统概述

1. 概念

操作系统是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好资源分配，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。

2. 功能和目标

2.1 系统资源的管理者

目标：安全、高效

例：打开QQ视频聊天

• 文件管理

  在文件夹中找到QQ.exe执行文件

• 存储器管理

  将程序相关数据放入内存

• 处理机管理

  对应的进程被处理机（CPU）处理

• 设备管理

  将摄像头设备分配给进程

2.2 用户和计算机硬件之间的接口

目标：方便用户使用

• 命令接口（用户直接使用）

  联机命令接口，脱机命令接口

• 程序接口（系统调用）

• GUI

2.3 最接近硬件的层次

目标：实现对硬件机器的拓展

3. 四个特征

3.1 并发性

并发：指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。这些事件在宏观上是同时发生的，但在微观上是交替发生的

并行：指两个或多个时间在同一时刻发生

3.2 共享性

指系统中的资源可提供多个并发执行的进程共同使用

互斥共享：一段时间内只允许一个进程访问该资源

同时共享：允许一个时间段内由多个进程“同时”对它们进行访问 （分时共享）

并发和共享互为存在条件

3.3 虚拟技术

指吧一个物理的实体变为若干个逻辑上的对应物。物理实体是实际存在的，而逻辑上对应物是用户感受到的

(1) 时分复用技术：利用处理机的空闲时间运行其他程序，提高处理机（CPU）的利用率。
(2) 空分复用技术：利用存储器的空闲空间存放其他程序，提高内存的利用率。

3.4 异步性

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。

4. 发展

4.1 手工操作方式

纸带输入输出数据（慢），计算机处理数据（快）

缺点：用户独占全机，CPU等待人工操作。

4.2 脱机输入输出方式

事先将装有用户程序和数据的纸带装入纸带输入机，在外围机的控制下，把纸带上的数据输入到磁带上（类似于磁盘）。当CPU需要时，从磁带将其高速地调入内存。反之类同。

优点：减少了CPU的空闲时间，提高了I/O速度。

4.3 单道批处理系统

首先监督程序将磁带第一个作业装入内存，运行控制权在该作业，该作业处理完成时，控制权交回到监督程序，再由监督程序把磁带上的第二个作业调入内存。系统自动对作业成批处理。（内存始终只保持一道作业—单道批处理）。
缺点：内存浪费，不能充分利用系统资源。

4.4 多道批处理系统

用户所提交的作业先存放在外存，排成一个“后备队列”，再由作业调度程序按一定的算法从队列选择若干作业调入内存，使他们共享CPU和系统中的各种资源。

优缺点：资源利用率提高，系统吞吐量大，平均周转时间长，无交互能力。

4.5 分时系统

在一台主机上连接了多个带有显示器和键盘的终端，同时允许多个用户通过自己的终端，以交互方式使用计算机，共享主机中的资源。因此，作业直接进入内存，采用轮转运行方式，系统配置一个多路卡（实现分时多路复用），及时接收用户终端命令（数据）。
特征：多路性、独立性、及时性、交互性。

缺点：不能优先处理紧急任务

4.6 实时系统

系统能及时响应外部事件的请求，在规定的时间内完成对该事件的处理，并控制所有实时任务的协调一致的运行。
特征：多路性（周期性信息采集，多个对象或执行机构进行控制）、独立性、及时性、交互性、可靠性（多级容错措施）。

5. 运行机制和体系结构

5.1 运行机制

• 两种指令

  处理器能识别、执行的最基本的命令

  ① 特权指令：不允许用户程序使用（内存清零指令）

  ② 非特权指令：允许用户程序使用（普通加减乘除)

• 两种CPU状态

  程序状态字寄存器（PSW）中的某标志位来表示当前处理器处于什么状态。

  ① 用户态（目态）：CPU只能执行非特权指令

  ② 核心态（管态）：两种指令都可以执行

• 两种程序

  ① 内核程序：系统的管理者，运行在核心态

  ② 应用程序：运行在用户态

5.2 操作系统内核

操作系统最基本、最核心部分

• 时钟管理：实现计时功能
• 中断处理：负责中断机制
• 原语: 特殊的程序，处于操作系统最底层，最接近硬件的部分，具有原子性，其运行不可中断
• 资源管理功能：进程管理，存储器管理，设备管理功能

5.3 体系结构

• 大内核

  将操作系统主要功能作为一个紧密结合的整体放到内核。

  优点：高性能

  缺点：内核代码庞大，结果混乱，难以维护

• 微内核

  由于操作系统不断复杂，因此将一部分操作系统功能移出内核，从而降低内核的复杂性。移出的部分根据分层的原则划分成若干服务，相互独立。 在微内核结构下，操作系统被划分成小的、定义良好的模块，只有微内核这一个模块运行在内核态，其余模块运行在用户态。

  优点：内核功能室，结果强袭，方便维护

  缺点：需要频繁地在核心态和用户态之间切换，性能低

6. 中断和异常

6.1 概念

诞生：为了实现多道程序并发执行

本质：发生中断意味着西药炒作系统接入，开展管理工作（如进程切换，分配I/O设备）。中断可以使CPU从用户态切换为核心态，使操作系统获得计算机的控制权。

① 中断发生时，CPU立即进入核心态

② 中断发生后，当前运行的进程暂停运行，内核对中断信号进行处理

③ 对于不同的中断信号，会进行不同的处理

用户态 --> 核心态：中断是唯一途径

核心态 --> 用户态：执行一个特权指令，经PSW的标识设为”用户态“

6.2 分类

• 内中断（CPU内部信号）

  ① 陷阱、陷入 （trap）：有意为之的异常，如系统调用

  ② 故障 （fault）：有错误条件引起的，可能被故障处理程序修复，如缺页

  ③ 终止（abort）：不可恢复的致命错误，不在将控制返回给引发终止的应用程序，如整除0

• 外中断（CPU外部信号）

  ① I/O中断请求

  ② 人工干预

6.3 处理过程

① 执行完每个指令后，CPU都要检查当前是否有外部中断信号

② 如果监测点外部中断信号，则需要保护被中断进程的CPU环境（程序状态字PSW，程序计数器PC，通用寄存器）

③ 根据中断信号类型转入响应的中断处理程序

7. 系统调用

7.1 作用

• 概念

  操作系统提供给应用程序使用的接口，可理解为一种可供应用程序调用的特殊函数，应用程序可发出系统调用请求来获取操作系统的服务

• 作用

  应用程序通过系统调用请求操作系统的服务。而系统中的各种共享资源都由操作系统内核统一掌管，因此凡是与共享资源有关的操作（如存储分配、I/O操作、文件管理等），都必须通过系统调用的方式向操作系统内核提出服务请求，由操作系统内核代为完成。这样可以保证系统的稳定性和安全性，防止用户进行非法操作。

• 分类（按功能）

  ① 设备管理：设备的请求/释放/启动 ioctl(); read(); write();

  ② 文件管理：文件的读/写/创建/删除 open(); read(); write();

  ③ 进程管理： 进程的创建/撤销/阻塞/唤醒 fork(); exit(); wait();

  ④ 进程通信：进程间的消息传递/信号传递 pipe(); shmget(); mmap();

  ⑤ 内存管理：完成内存的分配/回收

7.2 系统调用过程

传递系统调用参数 --> 执行陷入指令（用户态）–> 执行相应的内请求核程序处理系统调用（核心态）–> 返回
应用程序
注意：① 陷入指令是在用户态执行的，执行陷入指令之后立即引发一个内中断，使CPU进入核心态

); exit(); wait();

④ 进程通信：进程间的消息传递/信号传递 pipe(); shmget(); mmap();

⑤ 内存管理：完成内存的分配/回收

7.2 系统调用过程

传递系统调用参数 --> 执行陷入指令（用户态）–> 执行相应的内请求核程序处理系统调用（核心态）–> 返回应用程序
注意：
① 陷入指令是在用户态执行的，执行陷入指令之后立即引发一个内中断，使CPU进入核心态​
② 发出系统调用请求是在用户态，而对系统调用的相应处理在核心态下进行