操作系统（1）

操作系统的概念、功能和目标

• 操作系统作为系统资源的管理者，他提供的功能主要有四大类：
  处理机管理（cpu）、存储器管理（内存）、文件管理、设备管理
  目标：安全和高效

• 操作系统作为硬件和计算机硬件之间的接口，他提供的功能有：命令接口、程序接口和图形用户界面（GUI）
  目标：方便用户使用

• 操作系统作为最接近硬件的层次，他提供的功能和目标：实现对硬件机器的拓展（扩充机器）

操作系统的四个特征

• 特征：并发、共享、虚拟、异步
• 并发：通过在短时间内快速的交替执行不同的程序而在宏观上达到同时执行的效果。
  • 并发和并行的区别：并发本质上还是多个程序交替的执行，并行是指多个程序同时执行
• 共享：共享和并发是操作系统的两个最基本的特征，二者互为存在条件
  • 共享分为互斥共享方式（例如：摄像头设备的共享）和同时共享方式（例如：硬盘资源的共享）
• 虚拟：虚拟是指把一个物理上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。（例如：时分复用技术）。
  • 虚拟技术包括空分复用技术（例如：虚拟存储技术）和时分复用技术（例如：虚拟处理器技术）。
• 异步：在多道程序环境下，允许多个程序并发执行，单由于资源有限，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。

操作系统的发展和分类

• 手工操作系统，缺点：机器速度很快，但人工操作太慢，导致人机速度矛盾。
• 批处理阶段
  • 单道批处理系统
    • 优点：环节人机速度矛盾
    • 缺点：资源利用率依旧很低
  • 多道批处理系统（操作系统从这时期才开始出现）
    • 优点：多道程序并发执行，资源利用率高
    • 缺点：不提供人机交互功能
• 分时操作系统
  • 优点：提供人机交互功能
  • 缺点：不能优先处理紧急任务
• 实时操作系统：可以优先处理紧急任务
  • 硬实时操作系统：必须在绝对严格的规定时间内完成处理
  • 软实时操作系统：能接受偶尔违反时间规定
• 网络操作系统
• 分布式操作系统
• 个人计算机操作系统

操作系统的运行机制、体系结构

• 运行机制
  • 指令：特权指令和非特权指令
  • 处理器状态：核心态（管态）和用户态（目态）
  • 程序：内核程序和应用程序
• 操作系统内核
  • 时钟管理
  • 中断处理
  • 原语（具有原子性）
  • 对系统资源管理的功能
• 操作系统内核的体系结构分为：大内核和微内核
  • 大内核的功能：包括对系统资源进行管理的功能和微内核的功能
  • 微内核的功能：始终管理、中断处理、原语（设备驱动、cpu切换等功能）

中断和异常

• 中断的本质：发生中断就意味着需要操作系统介入，开展管理
• 从信号来缘分，可将中断分为内中断和外中断
  • 内中断信号来自cpu内部，与当前执行的指令有关，内中断也成为异常、例外、陷入
  • 外中断信号来自cpu外部，与当前执行的指令无关

系统调用

操作系统提供了保护机制，防止应用程序直接调用操作系统的过程，从而避免了系统的不安全性。但另一方面，应用程序又必须取得操作系统所提供的服务，否则，应用程序几乎无法作任何有价值的事情，甚至无法运行。为此，在操作系统中提供了系统调用，使应用程序可以通过系统调用的方法，间接调用操作系统的相关过程，取得相应的服务。