操作系统宏观理解

操作系统的功能和目标

操作系统的特征

操作系统的一个宏观的比喻（操作系统讲了什么，如何学习）：

计算机如何运行程序，操作系统如何启动

OS是软件资源和硬件资源的管理者（既是目的，也是功能）

1.CPU如何分配？
2.内存如何分配？=》通过划分地盘
3.磁盘如何分配？
4.外设如何分配？=》通过USB接口

注：计算机如何检测外设接入–通过中断

操作系统的演变

操作系统演变阶段	注释
手工操作阶段	纸带机，计算机速度快，人工和纸带速度慢。缺点：用户独占全机，人机速度矛盾，导致资源利用率低
单道批处理阶段	引入脱机输入/输出技术（用磁带完成），并监督程序负责控制作业的输入、输出，优点:解决了一定程度的人机速度矛盾，资源利用率有所提升。缺点：内存中只能有一道程序运行，存在大量的I/O时间，资源利用率依然很低
多道批处理系统	每次往内存中输入多道程序（放入多个磁带），引入了中断技术，由操作系统负责管理这些程序的运行。各个程序并发执行（操作系统正式诞生）优点：多道程序并发执行，共享计算机资源。资源利用率大幅度提升。缺点：用户响应时间长，没有人机交互功能（用户只能等待计算机处理完成自己的作业，不能够自己控制）
分时操作系统	计算机采用时间片轮转的方式轮流为各个用户/作业服务，各个用户可通过终端与计算机进行交互。优点：用户请求可以被及时响应，解决了人机交互问题，允许多个用户同时使用一台计算机，并且用户对计算机的操作相互独立，感受不到别人的存在。缺点：不能优先处理一些紧急任务。操作系统对每个作业都是公平的。
实时操作系统	优点：能够优先响应一些紧急任务，某些紧急任务不需要时间片排队，保证了及时性和可靠性 分为硬实时操作系统和软实时操作系统，硬实时操作系统必须严格在规定的时间内完成处理，软实时系统能接收偶尔违反时间规定
网络操作系统	了解即可，实现各台计算机之间的通信，实现各种网络资源的共享（如文件共享等）
分布式操作系统	了解即可，特点是：分布性和并行性，系统中的各台计算机地位相同，任何工作都可以分布在这些计算机上，由它们并行、协同完成这个任务
个人计算机操作系统	windows，mac，android等，方便个人使用

操作系统的运行机制和体系结构

预备知识：
什么是指令？
代码（高级编程语言）==好多个指令（代码通过编译成为CPU可以看懂的指令集合）
指令是CPU能识别、执行的最小命令单位

有的指令很人畜无害，比如简单的加减乘除指令
但有的有很大的危害性，比如内存清零指令，需要很高的权限。否则数据会不安全。

中断与异常

中断机制的诞生：

因为之前的程序需要一个个的顺序执行，急需并发操作来提高CPU的利用率，于是产生了中断。（也可以说，中断为并发提供了可能）

中断的本质:只要发生中断，就意味着需要操作系统介入，开展管理工作

• 当一个用户态上运行的进程1，时间片耗尽时，CPU收到计时部件发出的中断信号，切换为核心态对中断进行处理。

• 操作系统收到中断信号以后，发现是该进程的时间片耗尽了，就会让下一个进程—进程2运行。

• 进程2发出系统调用（内中断信号），请求输出（为了安全，输出输入等需要系统调用切换至核心态中断）。CPU切换为核心态，对中断进行处理。

• 操作系统分析中断以后，让打印机工作，进程2进行I/O操作，那么进程2暂停，进程3运行

• 当打印机的I/O操作完成以后，打印机给操作系统发送中断，操作系统就会分析该中断，继续让进程2完成后续作业

中断的概念和作用：

通过以上过程，可以得知：

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

发生了中断，就意味着需要操作系统介入，开展管理工作。
由于操作系统的管理工作，例如：进程切换，分配I/O设备等需要使用到特权指令，因此CPU需要从用户态转换为核心态。
中断可使CPU从用户态切换到核心态，使操作系统获得计算机的控制权。
有了中断，才能实现多道程序并发执行

用户态----》核心态只有通过中断达到
核心态----》用户态通过执行一个特权指令，修改程序状态字PSW的对应标志位。