什么是用户和计算机物理设备之间的接口,《王道操作系统》学习笔记计算机系统概述...
《王道操作系统》学习笔记计算机系统概述
《王道操作系统》学习笔记：计算机系统概述
一、计算机系统概述
1、操作系统的概念、功能和目标
1)、概念
操作系统是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，以提供给用户和其他软件方便的接口和环境，它是计算机系统中最基本的系统软件
2)、功能和目标
1)作为系统资源的管理者
进程是一个程序的执行过程。执行前需要将该进程放到内存中，才能被CPU处理
提供的功能：处理机管理、存储器管理、文件管理、设备管理
目标：安全、高效
2)作为用户和计算机硬件之间的接口
提供的功能：
命令接口：允许用户直接使用，命令接口又分为联机命令接口(又叫交互式命令接口，例如windows的cmd)和脱机命令接口(又叫批处理命令接口，例如windows的*.bat文件)
程序接口：允许用户通过程序间接使用，由一组系统调用组成，例如windows的.dll文件
GUI：图形用户界面
目标：方便用户使用
3)作为最接近硬件的层次
没有任何软件支持的计算机称为裸机。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
2、操作系统的四个特征
操作系统的四个特征：并发、共享、虚拟、异步
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的
并行：指两个或多个事件在同一时刻同时发生
一个单核处理机(CPU)同一时刻只能执行一个程序，因此操作系统会负责协调多个程序交替执行
2)、共享
共享即资源共享，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
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。物理实体是实际存在的，而逻辑上对应物是用户感受到的
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
3、操作系统的发展与分类
1)、手工操作阶段
2)、批处理阶段
1)单道批处理系统
2)多道批处理系统
3)、分时操作系统
4)、实时操作系统
4、操作系统的运行机制与体系结构
1)、什么是指令
一条高级语言的代码翻译过来可能会对应多条指令
指令就是处理器(CPU)能识别、执行的最基本命令
2)、运行机制
3)、操作系统内核
内核是计算机配置的底层软件，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
4)、操作系统的体系结构
5、中断和异常
1)、中断机制的诞生
为了解决上述问题，人们发明了操作系统，引入中断机制，实现了多道程序并发执行。只要发生了中断就意味着需要操作系统介入，开展管理工作
进程1：
进程2：
2)、中断机制的概念和作用
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(比如进程切换、分配I/O设备等)需要使用特权指令，因此CPU要从用户态转为核心态。中断可以使CPU从用户态切换为核心态，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、核心态之间的切换是怎么实现的？
用户态->核心态是通过中断实现的，并且中断是唯一途径
核心态->用户态的切换是通过执行一个特权指令，将程序状态字(PSW)的标志位设置为用户态
3)、中断的分类
4)、外中断的处理过程
CPU执行完每个指令之后，CPU都要检查当前是否有外部中断信号
如果检测到外部中断信号，则需要保护被中断进程的CPU环境(如程序状态字PSW、程序计数器PC、各种通用寄存器)
根据中断信号类型转入相应的中断处理程序
恢复原进程的CPU环境并退出中断，返回原进程继续往下执行
6、系统调用
1)、什么是系统调用
2)、系统调用与库函数的区别
3)、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：
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，从而CPU进入核心态
发出系统调用请求是在用户态，而对系统调用相应处理在核心态下进行
陷入指令是唯一一个只能在用户态执行，而不可在核心态执行的指令
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