操作系统第1章《计算机系统概述》重点复习

操作系统第1章重点复习

1.3操作系统的运行环境

1.3.1操作系统的运行机制

1.CPU执行两种不同性质的程序：一种是操作系统内核程序；另一种是用户自编程序（即系统外层的应用程序，或简称"应用程序"）。前者是后者的管理者，因此内核程序要执行一些特权指令。什么是特权指令呢？特权指令是指计算机中不允许用户直接使用的指令。如I/O指令、置中断指令，存取用于内存保护的寄存器、送程序状态字到程序状态字寄存器等的指令。

在具体实现上，将CPU的状态划分为用户态（目态）和核心态（又称管态、内核态）。用户自编程序运行在用户态，操作系统内核程序运行在核心态。

2.中断机制中，只有一小部分功能属于内核，它们负责保护和恢复中断现场的信息，转移控制权到相关的处理程序。（更少地切换至核心态，减少开销）这样可以减少中断的处理时间，提高系统的并行处理能力。

3.原语的特点：

(1)处于操作系统的最低层，是最接近硬件的部分。

(2)这些程序的运行具有原子性，其操作只能一气呵成（主要从系统安全性和便于管理考虑）。

(3)这些程序的运行时间都较短，而且调用频繁。

定义原语的直接方法是关闭中断，让其所有动作不可分割地完成后再打开中断。

4.操作系统控制的数据结构及处理：

(1)进程管理。进程状态管理、进程调度和分派、创建与撤销进程控制块等。

(2)存储器管理。存储器的空间分配和回收、内存信息保护程序、代码对换程序等。

(3)设备管理。缓冲区管理、设备分配和回收等。

1.3.2中断和异常的概念

5.中断(Interruption)也称外中断，指来自CPU执行指令以外的事件发生，如设备发出的I/O结束中断，表示设备输入/输出处理已经完成，希望处理机能够向设备发下一个输入/输出请求，同时让完成输入/输出后的程序继续运行。

异常也称内中断、例外或陷入(Trap)，指源自CPU执行指令内部的事件，如程序的非法操作码、地址越界、算术溢出、虚存系统的缺页及专门的陷入指令等引起的事件。

二者区别与联系如下图所示：

6.中断处理的流程：

(1)关中断。

(2)保存断点。

(3)中断服务程序寻址。

(4)保存现场和屏蔽字。

(5)开中断。

(6)执行中断服务程序。

(7)关中断。

(8)恢复现场和屏蔽字。

(9)开中断、中断返回。

1.3.3系统调用

7.系统调用，是指用户在程序中调用操作系统所提供的一些子功能，系统调用可视为特殊的公共子程序。大致分为如下几类：

(1)设备管理。完成设备的请求或释放，以及设备启动等功能。

(2)文件管理。完成文件的读、写、创建及删除等功能。

(3)进程控制。完成进程的创建、撤销、阻塞及唤醒等功能。

(4)进程通信。完成进程之间的消息传递或信号传递等功能。

(5)内存管理。完成内存的分配、回收以及获取作业占用内存区大小及始址等功能。

系统调用的处理过程需要由操作系统内核程序负责完成，要运行在核心态。用户程序可以执行陷入指令(又称访管指令或trap指令)来发起系统调用，请求操作系统提供服务。

8.用户态转向核心态举例：

(1)用户程序要求操作系统的服务，即系统调用。

(2)发生一次中断。

(3)用户程序中产生了一个错误状态。

(4)用户程序中企图执行一条特权指令。

(5)从核心态转向用户态由一条指令实现，这条指令也是特权指令，一般是中断返回指令。

若程序的运行由用户态转到核心态，则会用到访管指令，访管指令是在用户态使用的，所以它不可能是特权指令。

1.4操作系统的体系结构

1.4.1大内核和微内核

9.大内核系统将OS的主要功能模块都作为一个紧密联系的整体运行在核心态，从而为应用提供高性能的系统服务。

微内核系统有效地分离了内核与服务、服务与服务，使得它们之间的接口更加清晰，维护的代价大大降低，各部分可以独立地优化和演进，从而保证了OS的可靠性。

微内核的最大问题是性能问题，因为需要频繁地在核心态和用户态之间进行切换，OS的执行开销偏大。为减少切换开销，也有人提出将系统服务作为运行库链接到用户程序的一种解决方案，这样的体系结构称为库操作系统。

问题是性能问题，因为需要频繁地在核心态和用户态之间进行切换，OS的执行开销偏大。为减少切换开销，也有人提出将系统服务作为运行库链接到用户程序的一种解决方案，这样的体系结构称为库操作系统。