操作系统基础-第一章：操作系统引论

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一、操作系统的目标和作用

1.1 操作系统的目标

1. 方便性：使计算机易学易用，普及大众
2. 有效性：
   1. 提高系统资源利用率
   2. 提高系统的吞吐量
3. 可扩充性：无结构 -> 模块化结构 -> 层次化结构 -> 微内核
4. 开放性：遵循开放系统互联OSI国际标准

1.2 操作系统的作用

1. 作为用户与计算机硬件系统之间的接口
2. 作为计算机系统资源的管理者
3. 实现了对计算机资源的抽象（无需关心操作如何具体实现，黑盒子）

二、OS的发展与分类

2.1 手工操作阶段

缺点：人机速度矛盾（I/O慢，处理快）

2.2 批处理阶段

2.2.1 单道批处理系统（引入脱机输入输出技术）

优点：缓解人机速度矛盾
缺点：资源利用率依然很低

2.2.2 多道批处理系统（操作系统开始出现）

优点：多道程序并发执行，资源利用率很高; 吞吐量大（与单道批处理相比，还提高了I/O利用率）
缺点：不提供人机交互功能

2.3 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

2.4 实时操作系统

优点：能优先处理紧急任务

2.4.1 硬实时系统

必须在绝对严格的规定时间内完成处理

2.4.2 软实时系统

能接受偶尔违反时间规定

2.5 微机操作系统的发展

Unix是一种多用户、多进程的计算机操作系统，支持多种处理器架构，按照操作系统的分类，属于分时操作系统。

三、OS的基本特性

并发、共享、虚拟和异步是OS的四个基本特性。
并发离开了共享无法实现，共享离开了并发没有意义，虚拟与异步基于并发。

1. 时间片：一个时间片就是一段很短的时间（例如30ms）
2. 进程：未引入进程的系统应用程序的计算与I/O顺序执行；引入后，可以为计算程序和I/O程序分别建立进程，这两个进程可以并发执行。
   进程：系统中能独立运行并作为资源分配的基本单位，由一组机器指令、数据和堆栈等组成。
3. 临界资源：临界资源是一次仅允许一个进程使用的共享资源。各进程采取互斥的方式,实现共享的资源称作临界资源。属于临界资源的硬件有,打印机,磁带机等;软件有消息队列,变量,数组,缓冲区等。诸进程间采取互斥方式,实现对这种资源的共享。
4. 时分复用技术：
   1. 虚拟处理机技术
   2. 虚拟设备技术
5. 空分复用技术：用于对存储空间的管理，用以提高存储空间的利用率
6. 异步：进程的执行通常都不可能“一气呵成”，而是以“走走停停”的方式运行的

四、OS的运行机制与体系结构

4.1 特权与非特权指令

4.1.1 两种状态

1. 用户态（目态）：此时CPU只能执行非特权指令
2. 核心态（管态）：特权指令、非特权指令都可以执行

4.1.2 两种程序

1. 内核程序：OS的内核程序是系统的管理者，既可以执行特权指令也可以执行非特权指令，运行在核心态。
2. 应用程序：只能运行非特权指令，运行在用户态。

操作系统的内核

1. 内核是计算机上配置的底层软件，是OS最基本、最核心的部分。
2. 实现操作系统内核功能的程序就是内核程序。
3. 与硬件关联较紧密的模块：
   1. 时钟管理：实现计时功能
   2. 中断处理：实现中断机制
   3. 原语：
      1. 处于OS最底层，是最接近硬件的部分
      2. 具有原子性，运行不可中断
      3. 运行时间较短，调用频繁
4. 对系统资源进行管理的功能如进程管理、存储器管理和设备管理等，有的OS不把这部分归为内核功能。
5. 大内核与微内核：
   

五、中断和异常（内中断）

5.1 要点

1. 当中断发生时，CPU立即进入核心态
2. 当中断发生后，当前运行的进程暂停运行，并由操作系统内核对中断进行处理
3. 对于不同的中断信号，会进行不同的处理

中断是使 用户态->核心态 的唯一途径
有了中断，才能实现多道程序并发执行。
（通过程序状态字（PSW标志位切换状态）

5.2 中断的分类

5.2.1 内中断（也称异常、例外、陷入）

来自CPU内部，与当前执行的指令有关

1. 自愿中断——指令中断
2. 强迫中断：硬件故障、软件中断（如整除0）
   *另一种分类方式：
   1. 陷阱、陷入
   2. 故障
   3. 终止

5.2.2 外中断（狭义的中断）

来自CPU外部，与当前执行的指令无关

1. 外设请求（如I/O操作完成发出的中断信号）
2. 人工干预（如用户强行终止一个进程）

5.3 外中断的处理过程

六、系统调用

6.1 概念

操作系统作为用户和计算机硬件之间的接口，需要向上提供一些简单易用的服务。主要包括命令接口和程序接口。程序接口由一组系统调用组成。
系统调用 可以理解为一种可供应用程序调用的特殊函数
（系统调用的相关处理在核心态下完成的）
系统调用会使处理器从用户态进入核心态（执行一个int指令（陷入指令））

凡是与资源有关的操作（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提出服务请求，由操作系统代为完成。
保证系统稳定性和安全性

6.2 系统调用背后的过程

传递系统调用参数 → 执行陷入指令（用户态） → 执行系统调用相应服务程序（核心态） → 返回用户程序

注意：

1. 陷入指令是在用户态执行的，执行后立即引发一个内中断，从而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
3. 陷入指令是唯一一个只能在用户态执行，不能在核心态执行的指令
   系统调用发生在用户态，对系统调用的处理发生在核心态！