408计算机考研笔记（王道考研）：操作系统 第一章 计算机系统概述
1.1 操作系统的基本概念
1.1.1 操作系统的概念和功能
系统资源：指的硬件和软件资源
1、作为系统资源的管理者
2、向上层提供方便易用的服务
采用了封装思想
GUI 图形化用户接口
联机命令接口 （又称交互式命令接口）
就是小黑框，特点：用户说一句，系统做一句，就好比在小黑框里输入一个命令就只回复一个命令
脱机命令接口 （又称批处理命令接口）
特点：用户说一堆，系统跟着做一堆
程序接口（程序员使用）
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：又称广义指令，类似于函数调用，是应用程序请求操作系统服务的唯一方式。
小结：
操作系统主要向用户提供命令接口和程序接口（系统调用），此外还提供图形接口，当然，图形接口其实是调用了系统调用而实现的功能。
3、作为最接近硬件的层次
需要实现对硬件机器的拓展
裸机：没有任何软件支持的计算机。
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称为扩充机器，又称虚拟机。
小结：
1.1.2 操作系统的四个特征
1、并发（最基本的特性）
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，但是 微观上是交替发生的
对比 -----> 并行：
指两个或多个事件在同一时刻同时发生。
例子：
重要考点：
单核CPU VS 多核CPU：
单核CPU同一时刻只能执行一个程序，各个程序只能并发执行。
多核CPU同一时刻可以同时执行多个程序，多个程序并行执行。
2、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。
例子：
并发和共享的关系
互为存在条件
3、虚拟
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。
例子1：
例子2：
利用多道程序设计技术把一个物理上的CPU虚拟为多个逻辑上的CPU，称为虚拟存储器
4、异步
如果失去了并发性，即系统只能串行地运行各种程序，那么每个程序的执行会一贯到底。只有系统拥有并发性，才有可能导致异步性
例子：
小结：
1.2 操作系统的发展与分类
1.2.1 手工操作阶段
主要缺点：
- 用户独占全机，虽然不会出现因资源已被其他用户占用而等待的现象，但资源利用率低。
- CPU等待手工操作，CPU的利用不充分。
1.2.2 批处理阶段–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。
监督程序------>操作系统的雏形。
特征：
- 自动性
- 顺序性（正常情况下，先调入内存的作业先完成）
- 单道性
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。
1.2.3 批处理阶段–多道批处理系统
特征：
- 多道------->计算机内存中同时存放多道相互独立的程序。
- 宏观上并行
- 微观上串行
- 制约性 ----->程序的执行因为共享资源而相互制约
- 间断性------->一个程序的执行是走走停停的
- 共享性------->多道程序共享资源
- 有并发和并行的特点
主要优点：
主要缺点：
1.2.4 分时操作系统
分时系统也是支持多道程序设计的系统，但它不同于多道批处理系统。
多道批处理系统是实现作业自动控制而无须人工干预的系统，而分时系统是实现人机交互的系统。
特征：
- 同时性------>多个终端用户同时使用一台计算机。
- 交互性
- 独立性
- 及时性
1.2.5 实时操作系统
特征：
能对控制对象做出及时反应，可靠性高，响应及时，但资源利用率低。
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。
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。
1、硬实时系统
必须在绝对严格的规定时间内完成处理。
如：导弹控制系统，自动驾驶系统
2、软实时系统
能接受偶尔违反时间规定。
如：12306火车订票系统、银行管理系统。
1.2.6 其他几种操作系统（了解）
小结：
1.3 操作系统运行环境（重点）
1.3.1 操作系统的运行机制
1、内核程序 VS 应用程序
2、特权指令 VS 非特权指令
- 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：内核清零指令，I/O指令，开关中断指令，存取用于内存保护的寄存器等。这些指令影响重大，只允许“管理者”–即操作系统内核来使用。
在CPU设计和生产的时候就划分了特权指令和非特权指令，因此CPU执行一条指令前就能判断出其类型。
3、内核态 VS 用户态
4、内核态、用户态的切换
用户态-------->核心态：是由硬件完成
核心态-------->用户态：是由操作系统程序执行后完成的
小结：
1.3.2 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。
“中断”会使CPU从用户态变为内核态，使操作系统重新夺回对CPU的控制权。
2、中断的类型
内中断例子
- 试图在用户态下执行特权指令
- 执行除法指令时发现除数是0 --——>若当前执行的指令是非法的，则会引发一个中断信号。
外中断例子
- 时钟中断——由时钟部件发来的中断信号
- I/O中断——由输入/输出设备发来的中断信号
3、中断的分类
故障异常和陷入异常属于软件中断（程序性异常）
终止异常和外部中断属于硬件异常。
外中断又可分为：可屏蔽中断、不可屏蔽中断，异常属于不可屏蔽中断。
4、中断机制的基本原理
小结：
1.3.3 系统调用（又称广义指令）
1、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，程序接口是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（程序员/编程人员）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。
2、系统调用与库函数的区别
3、系统调用分类
4、系统调用的过程
小结：
1.3 小节习题知识点：
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输入/输出指令（I/O指令）是特权指令，所以输入/输出指令要在核心态下才能运行。
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特权指令只能由内核即操作系统使用，内核可以执行处理器能执行的任何指令，用户程序只能执行出特权指令外的指令。
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常见的特权指令：
输入输出指令（I/O指令）、开中断指令、关中断指令、修改PSW指令 -
通道技术：通道是一种硬件（小型CPU），可以执行I/O指令，从而管理I/O设备的工作
-
系统调用：
目的是为了使系统更稳定、安全，防止用户非法操作，所以将系统的核心功能封装成系统调用，但在系统调用过程中需要用户态和核心态的切换，造成效率降低，所以在一些专业性较强、实时性较高的操作系统中，可以不提供系统调用，以换取效率，如火箭，卫星上使用的操作系统
- 中断处理是操作系统必须提供的功能。
- 访管中断：由访管指令（trap指令）引起的中断。不是说任意的由用户引起的中断就是访管中断
- 在操作系统的功能组成部分中需要硬件支持的：
时钟管理------->需要硬件定时器，定期发出时钟脉冲
地址映射------->需要地址变换相关的硬件机构
中断系统-------->如：中断向量地址形成部件
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在内核态下，CPU可以执行任何指令，在用户态下CPU只能执行非特权指令。
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特权指令只能在核心态下执行，非特权指令既可以在核心态下执行，也可以在用户态下执行（但是访管指令仅在用户态下执行）
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发出系统调用是在用户态下
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执行系统调用是在核心态下
| 常见的非特权指令 | 常见的特权指令 |
| — | — |
| 取数指令 | 开中断指令 |
| 存数指令 | 关中断指令 |
| 读时钟指令 | 写时钟指令（置时钟指令） |
| 加减乘除等算数运算指令 | 输入/输出指令（I/O指令） |
| 寄存器清零指令 | 写PSW寄存器的指令 |
| 压栈/弹栈指令（push/pop） | |
| 跳转指令（转移指令）（JMP） | |
| trap指令（陷入指令）（访管指令） | |
| 设置断点指令 | |
| | | -
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从用户态切换到内核态必定是通过“中断”实现。
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只要发生中断，就需要对中断进行处理，也必然会切换到内核态。
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1.4 操作系统体系结构
1.4.1 操作系统的内核
操作系统内核需要运行在内核态
操作系统的非内核功能运行在用户态
1.4.2 操作系统的体系结构
小结：
1.4 新增考点：（选择题）
分层结构
功能分层设计
模块化
宏内核、微内核
微内核：
内核足够小、基于客户/服务器模式（C/S模式）、应用“机制与策略分离”原理、采用面向对象技术
微内核：
由于微内核结构能有效支持多处理机运行，故非常适合于分布式系统环境。
外核：
小结：
1.5 操作系统引导（boot）
1.6 虚拟机
传统计算机
虚拟机
同义术语：虚拟机管理程序/虚拟机监控程序/VMM/Hypervisor
虚拟机：使用虚拟化技术，将一台物理机器虚拟化为多台虚拟器（VM），每个虚拟机器都可以独立运行一个操作系统
