计算机系统概述笔记

1、操作系统的基本概念

1.1 操作系统的概念

操作系统(Operating System，OS)是指控制和理整个计算机系统的硬件与软件资源，合理地组织、调度计算机的工作与资源的分配，进而为用户和其他软件提供方便接口与环境的程序集合。操作系统是计算机系统中最基本的系统软件。

1.2 操作系统的特征

操作系统是一种系统软件，但与其他系统软件和应用软件有很大的不同，它有自己的特殊性即基本特征。操作系统的基本特征包括并发、共享、虚拟和异步。

• 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
  系统中的某些资源，如打印机、磁带机，虽然可供多个进程使用，但为使得所打印或记录的结果不致造成混淆，应规定在一段时间内只允许一个进程访问该资源。
  (2)同时访问方式
  系统中还有另一类资源，这类资源允许在一段时间内由多个进程“同时”访问。这里所说的“同时”通常是宏观上的，而在微观上，这些进程可能是交替地对该资源进行访问即“分时共享”的。可供多个进程“同时”访问的典型资源是磁盘设备，一些用重入码编写的文件也可被“同时”共享，即允许若干个用户同时访问该文件。
  并发和共享是操作系统两个最基本的特征，两者之间互为存在的条件:D资源共享是以程序的并发为条件的，若系统不允许程序并发执行，则自然不存在资源共享问题，@若系统不能对资源共享实施有效的管理，则必将影响到程序的并发执行，甚至根本无法并发执行
• 虚拟
  虚拟是指把一个物理上的实体变为若干逻辑上的对应物。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。操作系统中利用了多种虚拟技术来实现虚拟处理器、拟内存和虚拟外部设备等。
  虚拟处理器技术是通过多道程序设计技术，采用让多道程序并发执行的方法，来分时使用一个处理器的。此时，虽然只有一个处理器，但它能同时为多个用户服务，使每个终端用户都感觉有一个中央处理器(CPU在门为它服务利用多道程设计技术把一个物理上的 CPU 拟为多个逻辑上的 CPU，称为虚拟处理器。
  还可采用虚拟设备技术将一台物理I/O 设备虚拟为多台逻辑上的I/O设备，并允许每个用户占用一台辑上的 I/0 备，使原来允许在一时间内由一个用户访的设备(即临界资源)变为在一段时间内允许多个用户同时访问的共享设备。
  操作系统的虚拟技术可归纳为:时分复用技术，如处理器的分时共享，空分复用技术如虚拟存储器。
• 异步
  多道程序环境允许多个程序并发执行，但由于资源有限，进程的执行并不是一贯到底的，而是走走停停的，它以不可预知的速度向前推进，这就是进程的异步性。
  异步性使得操作系统运行在一种随机的环境下，可能导致进程产生与时间有关的错误(就像对全局变量的访问顺序不当会导致程序出错一样)。然而，只要运行环境相同，操作系统就须保证多次运行进程后都能获得相同的结果。

1.3 操作系统的目的和功能

操作系统为了给多道程序提供良好的运行环境，具有以下的功能:处理机管理、存储器管理、设备管理和文件管理。为了方便用户使用操作系统，还必须向用户提供接口。同时，操作系统可用来扩充机器，以提供更方便的服务、更高的资源利用率。

1. 操作系统作为计算机系统资源的管理者
   (1)处理机管理
   在多道程序环境下，处理机的分配和运行都以进程(或程)为基本单位，因而对处理机的管理可归结为对进程的管理。
   (2)存储器管理
   存储器管理是为了给多道程序的运行提供良好的环境，方便用户使用及提高内存的利用率，主要包括内存分配与回收、地址映射、内存保护与共享和内存扩充等功能。
   (3）文件管理
   计算机中的信息都是以文件的形式存在的，操作系统中负责文件管理的部分称为文件系统文件管理包括文件存储空间的管理、目录管理及文件读写管理和保护等。
   (4)设备管理
   设备管理的主要任务是完成用户的 I/O 用户使用各种设备，并提设备的用主要包括缓冲管理、设备分配、设备处理和虚拟设备等功能。
2. 操作系统作为用户与计算机硬件系统之间的接口
   操作系统提供的接口主要分为两类:一类是命令接口，用户利用这些操作命令来组织和控制作业的执行:另一类是程序接口，编程人员可以使用它们来请求操作系统服务。
3. 操作系统实现了对计算机资源的扩充

2、操作系统的发展历程

3、程序运行机制

3.1 处理器运行模式

在计算机系统中，通常 CPU 行两种不同性质的一种是作系统内核程序；另一种是用户应用程序。
1）特权指今，是指不许用户直接使用的令，如 0 中指，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。
2）非特权指令，是指允许用户直接使用的指，它不能直访问系统中的软硬件资源，仅限于访问用户的地址空间，这也是为了防止用户程序对系统造成破坏。

• CPU 有两种状态，“内核态”和“用户态”
  处于内核态时，说明此时正在运行的是内核程序，此时可以执行特权指令
  处于用户态时，说明此时正在运行的是应用程序，此时只能执行非特权指令

内核是计算机上配置的底层软件，内核是计算机上配置的底层软件，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那些程序就是内核程序。它管理着系统的各种资源，可以看作是连接应用程序和硬件的一座桥梁，大多数操作系统的内核包括4方面的内容。

（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。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。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
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。系统中的设备驱动、CPU切换、进程通信等功能中的部分操作都可定义为原语，使它们成为内核的组成部分。处于操作系统的最低层，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
系统中用来登记状态信息的数据结构很多，如作业控制块、进程控制块(PCB)、 设备控制
块、各类链表、消息队列、缓冲区、空闲区登记表、内存分配表等。为了实现有效的管理，系统
需要-些基本的操作，常见的操作有以下3种:
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。

3.2 中断和异常

• 中断(Interuption)称外中断，是指目 CPU 行指外部的事件通常用于信息输入输出，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。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。
• 异常(Exception)也称内中断，是指来自CPU 执行指令内部的事件，如序的非法操作码、地址越界、运算溢出、虚存系统的缺页及专门的陷入指令等引起的事件。异常不能被屏蔽，一旦出现，就应立即处理。