操作系统知识点总结（一）操作系统概述
《操作系统概述》
操作系统结构图：
（1）操作系统的基本概念：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的程序集合。
（2）操作系统的特征：并发(Concurrence)；共享（Sharing)；虛拟（Virtual)； 异步(Asynchronism)
【解释】
并发：并发是指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。操作系统的并发性是指计算机系统中同时存在多个运行着的程序，
因此它具有处理和调度多个程序同时执行的能力。在操作系统 中，引入进程的目的是使程序能并发执行。
共享： 资源共享即共享，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。
共享可分为以下两种资源共享方式：1) 互斥共享方式 2) 同时访问方式
虛拟：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（前者）是实的，即实际存在的；而后者是虚的，是用户感觉上的事物。用于实现虚拟的技术，称为虚拟技术。
异步：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，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。
操作系统最基本的特征是并发和共享。
（3）目标和功能：
操作系统作为计算机系统资源的管理者；
操作系统作为用户与计算机硬件系统之间的接口（分为命令接口，程序接口，GUI）；
操作系统用做扩充机器
（4）发展：批处理操作系统-》分时操作系统-》实时操作系统-》网络和分布式操作系统
（5）运行机制：1）中断和异常；2）系统调用
（6）体系结构：大内核和微内核
【注】用户态和核心态：
计算机系统中，通常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或系统外层的应用程序。
对操作系统而言，这两种程序的作用不同，前者是后者的管理者，因此“管理程序”要执行一些特权指令，而“被管理程序”
出于安全考虑不能执行这些指令。所谓特权指令，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指令。操作系统在具体实现上划分了用户态（目态）和核心态（管态)，
以严格区分两类程序。
用户态转转为核心态的例子：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，这条指令也是特权命令。一般是中断返回指令
【注】内核包含的内容：
1）时钟管理：在计算机的各种部件中，时钟是最关键的设备。时钟的第一功能是计时，操作系统需要通过时钟管理，
向用户提供标准的系统时间。另外，通过时钟中断的管理，可以实现进程的切换。
2）中断机制：引入中断技术的初衷是提高多道程序运行环境中CPU的利用率，而且主要是针对外部设备的。
3）原语：按层次结构设计的操作系统，底层必然是一些可被调用的公用小程序，它们各自完成一个规定的操作。其特点是：
它们处于操作系统的最底层，是最接近硬件的部分。
这些程序的运行具有原子性——其操作只能一气呵成（这主要是从系统的安全性和便于管理考虑的）。
这些程序的运行时间都较短，而且调用频繁。
4) 系统控制的数据结构及处理
【注】中断和异常相关知识点
中断(Interruption)，也称外中断，指来自CPU执行指令以外的事件的发生，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。时钟中断，表示一个
固定的时间片已到，让处理机处理计时、启动定时运行的任务等。这一类中断通常是与当前程序运行无
关的事件，即它们与当前处理机运行的程序无关。
异常(Exception)，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、虚存系统的缺页以及专门的陷入指令等引起的事件。对异常的处理一般要依赖于当前程序的运行现场，而且异常不能被屏蔽，
一旦出现应立即处理。
【注】系统调用
所谓系统调用就是用户在程序中调用操作系统所提供的一些子功能，系统调用功能上可分为：设备管理；文件管理；进程控制；
进程通信；内存管理。显然，系统调用运行在系统的核心态。通过系统调用的方式来使用系统功能，可以保证系统的稳定性和
安全性，防止用户随意更改或访问系统的数据或命令。系统调用命令是由操作系统提供的一个或多个子程序模块实现的。
《疑难点》
（1）并行性与并发性的区别和联系
答：并行性和并发性是既相似又有区别的两个概念。并行性是指两个或多个事件在同一时刻发生。并发性是指两个或多个事件在
同一时间间隔内发生。
在多道程序环境下，并发性是指在一段时间内，宏观上有多个程序在同时运行，但在单处理器系统中每一时刻却仅能有一道程序
执行，故微观上这些程序只能是分时地交替执行。倘若在计算机系统中有多个处理器，则这些可以并发执行的程序便被分配到多
个处理器上，实现并行执行，即利用每个处理器来处理一个可并发执行的程序。
（2）特权指令与非特权指令
答：所谓特权指令是指有特殊权限的指令，由于这类指令的权限最大，如果使用不当，将导致整个系统崩溃。比如：清内存、置
时钟、分配系统资源、修改虚存的段表或页表、修改用户的访问权限等。如果所有的程序都能使用这些指令，那么你的系统一天
死机《回就不足为奇了。为了保证系统安全，这类指令只能用于操作系统或其他系统软件，不直接提供给用户使用。因此，特权
指令必须在核心态执行。实际上，CPU在核心态下可以执行指令系统的全集。形象地说，特权指令就是那些儿童不宜的东西，而
非特权指令则是老少皆宜。
为了防止用户程序中使用特权指令，用户态下只能使用非特权指令，核心态下可以使用全部指令。当在用户态下使用特权指令时，
将产生中断以阻止用户使用特权指令。所以把用户程序放在用户态下运行，而操作系统中必须使用特权指令的那部分程序在核心态
下运行，保证了计算机系统的安全可靠。从用户态转换为核心态的唯一途径是中断或异常。
（3）访管指令与访管中断
答：访管指令是一条可以在用户态下执行的指令。在用户程序中，因要求操作系统提供服务而有意识地使用访管指令，从而产生一
个中断事件（自愿中断），将操作系统转换为核心态，称为访管中断。访管中断由访管指令产生，程序员使用访管指令向操作系统
请求服务。
为什么要在程序中引入访管指令呢？这是因为用户程序只能在用户态下运行，如果用户程序想要完成在用户态下无法完成的工作，
该怎么办？解决这个问题要靠访管指令。访管指令本身不是特权指令，其基本功能是让程序拥有“自愿进管”的手段，从而引起访
管中断。
当处于用户态的用户程序使用访管指令时，系统根据访管指令的操作数执行访管中断处理程序，访管中断处理程序将按系统调用的
操作数和参数转到相应的例行子程序。完成服务功能后，退出中断，返回到用户程序断点继续执行。