操作系统的定义（引入）

一、操作系统的定义

概念：

• 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。（中间的角度①）

• 提供给用户和其他软件方便的接口和环境（从下到上的角度②）

• 计算机系统中最基本的系统软件（从上到下的角度③）

操作系统的功能和目标

操作系统的特性

• 并发——宏观上式同时发生、微观上是交替发生（注意与并行区别）

• 共享——资源共享，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

• 虚拟——时分复用技术——如虚拟存储器技术、空分复用技术——如虚拟处理器。建立在并发的基础上。

• 异步——进程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。建立在并发的基础上。

  

操作系统的发展和分类（以下下者是对上者的发展）

• 手工操作阶段：用户独占全机、人机速度矛盾导致资源利用率较低

• 批处理阶段（单道批处理系统、多道批处理系统）

  ​ 单道批处理阶段：引入脱机输入/输出技术（用磁带完成），并监督程序——操作系统的雏形负责控制作业的输入、输出

  • 主要优点：缓解了一定程度的人机矛盾，资源利用率有所提升。

  • 主要缺点：内存中仅有一道程序运行，CPU大量时间在空闲等待I/O完成，资源利用率依然很低。

​ 多道批处理系统：每次往内存中输入多道程序，操作系统正式诞生，引入中断技术

• • 多道程序并发执行，共享计算机资源。资源利用率大幅度提升
  • 用户响应时间长，没有人机交互功能（用户提交自己作业之后就只能等待计算机处理完成，中间不能控制自己的作业）

分时操作系统：计算机以时间片为单位轮流为各个用户/作业服务

• 主要优点：解决了人机交互问题，允许多个用户同时使用一台计算机
• 缺点：不能优先处理一些紧急任务。

实时操作系统

• 主要优点：可以优先处理一些紧急任务

• 其他操作系统

  • 网络操作系统：实现网络中各种资源的共享（如文件共享）和各台计算机之间的通信。example ：Windows NT
  • 分布式操作系统：特点：并行性和分布性，任何工作都可以分布在这些计算机上，由它们并行、协同完成这个任务。
  • 个人计算机操作系统：Windows XP等

操作系统的运行机制和体系结构

指令（定义）：CPU能够识别、执行的最基本命令。

处理器的状态调换体现在psw（程序状态字）的0或1.

内核：计算机配置的底层软件，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就是内核程序。

中断和异常

中断：操作系统诞生，引入中断机制，实现多道程序并发执行。本质：发生中断意味着需要操作系统介入，开展管理工作（比如进程切换、分配I/O设备等）。

中断可以使得CPU从用户态转换为核心态（只有中断这个唯一途径，然后在PSW(程序状态字）），使得操作系统获得计算机的控制权。有了中断，才有多道程序并发执行。

系统调用

系统调用背后的过程：

传递系统调用函数->执行陷入指令(用户态)->执行系统调用相应(核心态)->返回用户程序

注意：

• 陷入指令（trap/访管指令/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，从而ＣＰＵ进入核心态
• 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
• 陷入指令是唯一一个只能在用户态执行，而不可在核心态执行的指令