【王道考研-操作系统】操作系统概述(学习笔记)

一、操作系统概述

1、概念

操作系统:

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

提供给用户和其他软件方便的接口和环境

是计算机系统中最基本的系统软件

2、功能和目标

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1)系统资源管理

提供的功能:处理机管理、存储器管理、文件管理、设备管理

2)向上层提供服务

封装思想:操作系统把一些"丑陋"的硬件功能封装成简单易用的服务,使用户能更方便地使用计算机,用户无需关心底层硬件的原理,只需要对操作系统发出命令即可

1. 直接服务用户

GUI:图形用户解密

命令接口:

  1. 联机命令接口 = 交互式命令接口(有问有答)

  2. 脱机命令接口 = 批处理命令接口(用户说,系统做)

2. 服务软件

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(系统调用=广义指令)

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3)对硬件机器的拓展

没有任何软件支持的计算机成为裸机。在裸机上安装的操作系统,可以提供资源管理功能和方便用户的服务功能,将裸机改造成功能更强、使用更方便的机器

通常把覆盖了软件的机器成为扩充机器,又称之为虚拟机

二、四个特征

1、并发

并发: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(复用技术)的。

(补)并行:指两个或多个事件在同一时刻同时发生。

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。

操作系统就是伴随着"多道程序技术"而出现的。因此,操作系统和程序并发是一起诞生的。并发性是操作系统一个最基本的特性

2、共享

共享:资源共享,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。

资源分享的两种方式:

  1. 互斥共享方式:只能单一程序访问(打印机)

  2. 同时共享方式:可以多程序并发访问(硬盘的同时访问)

2.5、并发和共享的关系

并发性指计算机系统中同时存在着多个运行着的程序。

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。

并发和共享是两个基本特征,二者互为存在条件

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。(用户的感受大于实体)

  1. 时分复用技术:虚拟处理器

  2. 空分复用技术:虚拟内存

没有并发性,就谈不上虚拟性

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,进程的执行速度不匹配。

只有系统拥有并发性,才有可能导致异步性。

三、发展与分类

1、手工操作阶段

用户独占全机、人机速度矛盾导致资源利用率极低

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2、批处理阶段

1)单道批处理系统

概述: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

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。

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/O完成。资源利用率依然很低。

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2)多道批处理系统

概述:每次往内存中读入多道程序。操作系统正式诞生,用于支持多道程序并发运行

优点:多道程序并发执行,共享计算机资源。资源利用率大幅提升,CPU和其他资源更能保持“忙碌”状态,系统吞吐量增大。

缺点:用户响应时间长,没有人机交互功能

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3、分时操作系统

概述: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。

优点:用户请求可以被即时响应,实现人机交互问题。允许多个用户同时使用一台计算机。

缺点:不能优先处理一些紧急任务。

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4、实时操作系统

概述: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。

特点:及时性、可靠性

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。

分类:硬实时系统、软实时系统

5、其他操作系统

网络操作系统:能把网络中各个计算机有机地结合起来,实现数据传送等功能,实现网络中各种资源的共享和各台计算机之间的通信。

分布式操作系统:主要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 10、MacOS

四、运行机制和体系结构

1、运行机制

1)两种指令

特权指令:只有操作系统内核程序才能运行的指令

非特权指令:应用程序可以运行的指令

在CPU设计和生产的时候就划分了特权指令非特权指令,因此CPU执行一条指令前就能判断出其类型

2)两种处理器状态

用于CPU区分此时正在运行程序类型

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

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

别名:内核态=核心态=管态;用户态=目态

内核态、用户态的切换

  1. 操作系统内核在让出CPU之前,会用一条特权指令把 PSW 的标志位设置为“用户态”

  2. CPU发现接下来要执行的这条指令是特权指令,但是自己又处于“用户态”。这个非法事件会引发一个中断信号

  3. CPU检测到中断信号后,会立即变为“核心态”,并停止运行当前的应用程序,转而运行处理中断信号的内核程序

3)两种程序

内核程序: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

应用程序:只能执行非特权指令,运行在用户态

2、操作系统内核

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

  1. 时钟管理:实现计时功能

  2. 中断处理:负责实现中断机制

  3. 原语:是一种特殊的程序。处于操作系统最底层,是最接近硬件的部分。这种程序的运行具有原子性(不可被中断)。运行时间较短、调用频繁

  4. 对系统资源进行管理的功能:进程管理、存储器管理、设备笞理

3、操作系统体系结构

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1)大内核

将操作系统的主要功能模块都作为系统内核,运行在核心态

优点:高性能

缺点:内核代码庞大,结构混乱,难以维护

2)微内核

只把最基本的功能保留在内核

优点:内核功能少,结构清晰,方便维护

缺点:需要频繁地在核心态和用户态之间切换,性能低

五、中断和异常

1、中断的作用

中断是让操作系统内核夺回CPU使用权的唯一途径。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

内核态 => 用户态:执行一条特权指令,修改PSW的标志位为“用户态”,操作系统将主动让出CPU使用权

用户态 => 内核态:由中断引发,硬件自动完成变态过程,触发中断信号,操作系统将强行夺回CPU的使用权

2、(广义)中断的类型

1)内中断(异常)

与当前执行的指令有关,中断信号来源于CPU内部

陷阱、陷入:由陷入指令引发,是应用程序为了系统调用故意引发

故障:由错误条件引起的,可能被内核程序修复。内核程序修复故障后会把 CPU使用权还给应用程序,让它继续执行下去。如:缺页故障。

终止:由致命错误引起,内核程序无法修复该错误,因此一般不再将CPU使用权还给引发终止的应用程序,而是直接终止该应用程序。如:整数除0、非法使用特权指令

1)外中断(中断)

与当前执行的指令无关,中断信号来源于CPU外部

每一条指令执行结束时,CPU都会例行检查是否有外中断信号(时钟信号、IO设备)

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。

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六、系统调用

1、什么是系统调用

系统调用:是操作系统提供给应用程序使用的接口

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

2、系统调用与库函数的区别

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3、系统调用的功能

4、系统调用的过程

传递系统调用参数 => 执行陷入指令(用户态) => 执行相应的内请求核程序处理系统调用(核心态) => 返回应用程序

陷入指令是在用户态执行的,执行陷入指令之后立即引发一个内中断,使CPU进入核心态发出系统

调用请求是在用户态,而对系统调用的相应处理在核心态下进行

(陷入指令 = trap 指令 = 访管指令)

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