第一章操作系统引论

目录

一、熟悉的操作系统

二、计算机系统的层次结构

三、操作系统的概念

四、操作系统的功能

4.1 系统资源的管理者

4.2 向上层提供方便易用的服务

4.2.1 GUI：图形化用户接口（Graphical UserInterface）

4.2.2 命令接口

4.2.3 程序接口

4.3 作为最接近硬件的层次

五、操作系统的特征

5.1 并发

5.1.1 并发VS并行

5.1.2 操作系统的并发性

5.2 共享

两种资源共享方式

5.3 虚拟

5.3.1 空分复用技术

5.3.2  时分复用技术

 5.4 异步

六、操作系统的发展与分类

​编辑

6.1 手工操作阶段

6.2 批处理阶段

6.2.1 单道批处理系统

6.2.2 多道批处理系统

6.3 分时操作系统

6.4 实时操作系统

七、操作系统的运行机制

7.1 程序是如何运行的

7.2 应用程序VS内核程序

7.3 特权指令VS非特权指令

7.4 内核态VS用户态

状态转换

八、中断和异常

8.1 中断的作用

8.2 中断的分类

8.2.1 内中断

8.2.2 外中断

8.3 中断机制的基本原理

九、系统调用

9.1 系统调用VS库函数

9.2 系统调用分类

9.3 系统调用的过程

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一、熟悉的操作系统

二、计算机系统的层次结构

 

三、操作系统的概念

	定义	功能
操作系统（Operating System，OS）	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；	是系统资源的管理者，提供功能有： ① 处理机管理 ② 存储器管理 ③ 文件管理 ④ 设备管理
	以提供给用户和其他软件方便的接口和环境；	向上层提供方便易用的服务
	它是计算机系统中最基本的系统软件。	是最接近硬件的一层软件

四、操作系统的功能

4.1 系统资源的管理者

直观的例子：打开 Windows 操作系统的“任务管理器”（快捷键:Ctrl+Alt+Del）。

补充知识： 执行一个程序前需将该程序从磁盘放到内存中，才能被处理机（CPU） 处理。

4.2 向上层提供方便易用的服务

4.2.1 GUI：图形化用户接口（Graphical UserInterface）

用户可以使用形象的图形界面进行操作，而不再需要记忆复杂的命令、参数。

例子：在 Windows 操作系统中，删除一个文件只需要把文件“拖拽”到回收站即可。

4.2.2 命令接口

① 联机命令接口

② 脱机命令接口

4.2.3 程序接口

可以在程序中进行系统调用来使用程序接口。

普通用户不能直接使用程序接口，只能通过程序代码间接使用。

4.3 作为最接近硬件的层次

五、操作系统的特征

5.1 并发

并发性指计算机系统中同时存在着多个运行着的程序。

5.1.1 并发VS并行

并发	并行
指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。这些事件宏观上是同时发生的，但微观上是交替发生的。	指两个或多个事件在同一时刻同时发生。

5.1.2 操作系统的并发性

操作系统的并发性指计算机系统中“同时”运行着多个程序，这些程序宏观上看是同时运行着的，而微观上看是交替运行的。操作系统是伴随着“多道程序技术”而出现的。故操作系统和程序并发是一起诞生的。

注意 (重要考点) ：

• 单核CPU：同一时刻只能执行一个程序，各个程序只能并发地执行；
• 多核CPU：同一时刻可以同时执行多个程序，多个程序可以并行地执行。

5.2 共享

共享性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。

两种资源共享方式

① 互斥共享方式

使用QQ和微信视频。同一时间段内摄像头只能分配给其中一个进程。

② 同时共享方式

使用QQ发送文件A，同时使用微信发送文件B。宏观上看，两边都在同时读取并发送文件，说明两个进程都在访问硬盘资源，从中读取数据。微观上看，两个进程是交替着访问硬盘的。

5.3 虚拟

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)是实际存在的，而逻辑上对应物 (后者) 是用户感受到的。

5.3.1 空分复用技术

5.3.2  时分复用技术

虚拟技术中的“时分复用技术”：微观上处理机在各个微小的时间段内交替着为各个进程服务。

 5.4 异步

异步是指，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的，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。

六、操作系统的发展与分类

6.1 手工操作阶段

6.2 批处理阶段

6.2.1 单道批处理系统

引入脱机输入/输出技术(用外围机+磁带完成)，并由监督程序负责控制作业的输入、输出。

• 主要优点：缓解了一定程度的人机速度矛盾，资源利用率有所提升。
• 主要缺点：内存中仅能有一道程序运行，只有该程序运行结束之后才能调入下一道程序CPU有大量的时间是在空闲等待I/0完成。资源利用率依然很低。

6.2.2 多道批处理系统

6.3 分时操作系统

计算机以时间片为单位轮流为各个用户/作业服务，各个用户可通过终端与计算机进行交互。 

• 主要优点：用户请求可以被即时响应，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。
• 主要缺点：不能优先处理一些紧急任务。操作系统对各个用户/作业都是完全公平的，循环地为每个用户作业服务一个时间片，不区分任务的紧急性。

6.4 实时操作系统

• 在实时操作系统的控制下，计算机系统接收到外部信号后及时进行处理，并且要在严格的时限内处理完事件。
• 实时操作系统的主要特点是及时性和可靠性。
• 主要优点：能够优先响应一些紧急任务，某些紧急任务不需时间片排队。

七、操作系统的运行机制

7.1 程序是如何运行的

7.2 应用程序VS内核程序

应用程序	内核程序
我们普通程序员写的程序	微软、苹果有一帮人负责实现操作系统，他们写的是“内核程序”。 由很多内核程序组成了“操作系统内核”，或简称“内核(Kernel)”。 内核是操作系统最重要最核心的部分，也是最接近硬件的部分

7.3 特权指令VS非特权指令

非特权指令	特权指令
应用程序只能使用“非特权指令”，如:加法指令、减法指令等	操作系统内核作为“管理者”，有时会让CPU执行一些“特权指令”，如:内存清零指令。这些指令影响重大，只允许“管理者”一一即操作系统内核来使用

7.4 内核态VS用户态

CPU 中有一个寄存器叫程序状态字寄存器 (PSW)，某中有个二进制位，1表示“内核态”，0表示“用户态”。

内核态（核心态或管态）	用户态（目态）
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

状态转换

内核态→用户态	用户态→内核态
执行一条特权指修改PSW的标志位为“用户态”，该动作意味着操作系统将主动让出CPU使用权	由“中断”引发，硬件自动完成变态过程，触发中断信号意味着操作系统将强行夺回CPU的使用权

 

八、中断和异常

8.1 中断的作用

• “中断”会使CPU由用户态变为内核态，使操作系统重新夺回对CPU的控制权。
• “中断”是让操作系统内核夺回CPU使用权的唯一途径。
• 如果没有“中断”机制，那一旦应用程序上CPU运行，CPU就会一直运行这个应用程序。

8.2 中断的分类

8.2.1 内中断

8.2.2 外中断

• 例子1：时钟中断一一由时钟部件发来的中断信号。时钟部件每隔一个时间片(如50ms) 会给CPU发送一个时钟中断信号
• 例子2：I/O中断一一由输入/输出设备发来的中断信号。当输入输出任务完成时向CPU发送中断信号。

8.3 中断机制的基本原理

不同的中断信号，需要用不同的中断处理程序来处理。当CPU检测到中断信号后，会根据中断信号的类型去查询“中断向量表”，以此来找到相应的中断处理程序在内存中的存放位置。 

九、系统调用

• 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。其中，程序接口由一组系统调用组成。
• “系统调用”是操作系统提供给应用程序(序员/编人员使用的接口，可以理解为一种可供应用程序调用的特殊函数，应用程序可以通过系统调用来请求获得操作系统内核的服务。

9.1 系统调用VS库函数

9.2 系统调用分类

应用程序通过系统调用请求操作系统的服务。而系统中的各种共享资源都由操作系统内核统一掌管，因此凡是与共享资源有关的操作(如存储分配、1/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内核提出服务请求，由操作系统内核代为完成。这样可以保证系统的稳定性和安全性，防止用户进行非法操作。

9.3 系统调用的过程