操作系统（一）| 概述 作业 批处理 OS运行环境要求 基本特征
文章目录
- 1 程序如何执行
- 2 操作系统初探
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- 2.1 操作系统功能
- 2.2 操作系统定义
- 3.操作系统一些概念
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- 3.1 作业
- 3.2 批处理
- 3.3 单道程序和多道程序
- 3.4 多道批处理系统
- 3.5分时系统
- 3.6 并发和并行
- 4. OS对运行环境的要求
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- 4.1 CPU
- 4.2 内存
- 4.3 中断
- 4.4 时钟
- 4.5 重定位
- 5.现代操作系统基本特征
- 6 操作系统启动过程
1 程序如何执行
我们都对运行程序很熟悉，无论是QQ，微信都是一个个在运行的程序
我们也都知道有这样一个职业叫做——程序员，就是编写这些程序的代码的。
那么代码从编写好后到最终执行的过程是怎样的呢？实际有三步
预处理 编译 链接
我们感觉好像很简单，但实际上程序运行需要各种资源，会有一些异常，这些处理我们往往不关心，而这些实际上是系统应用程序——操作系统来完成的
换句话说程序执行的整个生命周期都受操作系统控制
比如 建立程序的内存映像， CPU的分配 内存分配、释放 文件访问，输入输出（I/O） 中断（异常）处理
2 操作系统初探
2.1 操作系统功能
从用户观点看，操作系统是一个虚拟机
让用户（程序员）在使用计算机时不涉及计算机硬件的细节，使硬件细节和用户（程序员）隔离开来，即建立一种简单的高度抽象。
从系统观点来看，操作系统是一个资源管理器：管理系统的软硬件资源
硬件资源：构成计算机系统所必须配置的所有硬件： CPU、内存、时钟、磁盘。 软件资源：程序和数据（文件）。
总结来看，操作系统有四大功能
进程管理，内存管理，文件管理， I/O设备管理
2.2 操作系统定义
基于操作系统的功能
操作系统可以定义为
OS是硬件之上的第1层软件（系统软件），是一组程序，用来有效控制和管理计算机系统的各类资源（硬件和软件资源：设备、文件、存储器、CPU、程序（进程））， 以方便用户使用计算机（用户和计算机的接口）
3.操作系统一些概念
3.1 作业
从输入开始到输出结束，用户要求计算机所做的一次业务处理的全部工作（一次业务处理往往需要包括多个程序配合）所以操作系统中的作业（Job）通常又可以理解为是一组相关任务或程序的集合
作业由三部分组成：1 程序 2要执行的程序代码 3数据
作业通常需要访问和处理数据，因此数据是作业的另一个重要组成部分
作业往往有着自己的控制信息等
假设你正在使用一台多任务操作系统的个人电脑，你同时打开了以下两个应用程序：
- 文字处理器：你在编辑一份重要的文档。
- 网页浏览器：你正在浏览互联网上的一些新闻文章。
在这个情景中，操作系统将视每个应用程序为一个作业，并为其分配资源和执行环境。
3.2 批处理
为改进内存和I/O设备之间的吞吐量 ，进行批处理操作
就是3.1讲的是一个作业处理
而3.2 就是同时处理多个作业，多个作业构成一个队列，依次处理
缺点：
用户不能干预自己作业的运行 一旦发现作业错误不能及时改正 延长了软件开发时间 一般只适用于成熟的程序或大型的计算程序
3.3 单道程序和多道程序
- 单道程序：
内存中只有一个用户程序
因为I/O很费时，若当前程序因等待I/O而暂停， 则CPU空闲
- 多道程序： 在内存中存放多个用户程序，同时处于可运行状态。 当一个程序等待I/O时，另一个程序可以使用CPU
我们现在的操作系统肯定都是多道程序，核心目的让CPU忙起来，提高效率
3.4 多道批处理系统
多道程序+批处理=多道批处理系统
与单道批处理系统相比： 系统吞吐量（单位时间内完成的总工作量）大； 资源利用率高； 周转时间（作业从进入系统到完成所经历的时间）长。
3.5分时系统
多个用户（程序）共享一台计算机，按时间片（time slice）轮流使用。
什么是 时间片：OS将CPU时间划分为若干个片段
3.6 并发和并行
并发：两个或多个事件在同一时间间隔内交替发生，不一定是同时执行。
并行：两个或多个事件在同一时刻发生。
多用户：允许多个用户通过各自的终端使用同一台主机，共享主机系统中的各类资源。 多任务：允许多个程序并发执行。
一个 比喻更好理解
- 并发：想象一个餐厅，只有一个厨师和一个服务员。多个客人进入餐厅，他们点餐后，服务员会为每个客人记录点餐的需求，然后将这些需求交给厨师。厨师会依次准备每份菜肴，然后将它们送到客人的桌子上。虽然只有一个厨师，但由于服务员不断地切换处理不同客人的需求，似乎每个客人都在同一时间段内得到了服务，这就是并发。多个任务（客人的点餐需求）在同一个资源（厨师）上交替执行。
- 并行：现在，想象这家餐厅升级了，雇佣了多个厨师，每个厨师都可以独立准备菜肴，而服务员可以同时为多个客人提供服务。在这种情况下，每个厨师和服务员都可以同时处理不同的客户需求，这就是并行。多个任务（客人的点餐需求）在同时使用不同的资源（多个厨师和服务员）来提高效率。
还有比如实时OS，网络OS，分布式OS
4. OS对运行环境的要求
4.1 CPU
CPU是执行程序的核心部件
CPU 通过状态标识，知道是操作系统程序还是用户程序在执行，从而给到OS特权指令（只能由OS执行的命令），进行一些紧急任务建立存储保护，清内存、关中断等
CPU两种工作状态
核心态
处于核心态的时候
全部指令（包括特权指令）可以执行 可使用所有资源 并具有改变处理器状态的能力
用户态
处于用户态的时候
只有非特权指令能执行 特权级别不同，可运行的指令集合也不同 特权级别越高，可以运行的指令集合越大 高特权级别对应的可运行指令集合包含低特权级的
CPU的程序状态字PSW
指示程序执行的当前状态，主要包括
CPU的工作状态——指明核心态还是用户态，用来说明当前在CPU上执行的是操作系统还是应用程序，从而决定其是否可以使用特权指令或拥有其他的特殊权力
条件标志——反映指令执行后的结果特征
中断标志——指出是否允许中断
CPU的程序计数字PC
指示下一条要执行的指令
4.2 内存
程序必须存放在内存中才能运行。
在多任务系统中，操作系统要管理、保护各任务的程序和数据，使它们不至于受到破坏和相互干扰。 操作系统本身也要存放在内存中并运行，不能被破坏。
**内存分块：**块作为分配内存空间的基本单位，如4KB为1块。
为什么要按块来分配内存空间？旨在简化对内存的分配和管理
内存保护： OS正常运行的基本条件
常用的保护机制
(1) 界限寄存器 存放某任务在内存的上界和下界地址(或者下界与长度)，越界后产生越界中断
(2) 存储保护键（ Key） 当一个程序进入内存时，OS为其分配一个唯一的Key。 同时将分配给它的每个存储块都设置成该Key
4.3 中断
指CPU在收到外部中断信号后，停止原来工作，转去处理该中断事件，完毕后回到原来断点继续工作。 CPU对系统中发生的“异步（随机）”事件的处理
中断类型
1 硬件中断
又分为两类
内部异常（硬故障中断 ： 如电源断掉，程序性中断 ：如溢出，越界，非法指令等）
外部中断（CPU外部发生的特殊事件，通过“中断请求”向CPU请求处理 如打印机缺纸等）
2 异常（Exception）
3 陷入（Trap）
4 访管中断（系统调用）
中断响应过程
1 关中断 防止其他中断修改影响当下中断
2 保护断点和程序状态 将断点和程序状态保存到栈或特殊寄存器中
3 识别中断事件
4.4 时钟
进行程序的同步，计数等
1 硬件时钟：通过时钟寄存器实现。 绝对时钟：记录当前时间 相对时钟（间隔时钟）：分时系统的基础。
2 软件时钟：通过时钟队列实现。
4.5 重定位
将程序中的相对地址转换为绝对地址。
原因：运行前不可能知道程序将放在内存的什么位置。
静态重定位：程序装入内存时，由装入程序重定位
动态重定位：CPU每次访问内存时，由动态地址转换机构（硬件）自动进行
5.现代操作系统基本特征
（1）并发 计算机系统中同时存在多个运行的程序，需要OS管理和调度
（2）共享 “同时”访问 互斥共享
（3）虚拟 利用多道程序设计技术，让每个用户都觉得有一个计算机专门为他服务 （4）异步 程序的执行不是一贯到底，而是走走停停，向前推进的速度不可预知 只要运行环境相同，OS需要保证程序运行的结果也要相同
6 操作系统启动过程
- 硬件自检（POST）：
- 当计算机电源打开时，计算机硬件执行自检过程（POST），以确保所有硬件组件正常运行。这包括检查内存、CPU、磁盘驱动器等。
- 引导设备选择：
- 计算机 BIOS 或 UEFI 固件负责选择要从中启动的设备。用户可以在 BIOS/UEFI 设置中配置启动顺序，以决定首选引导设备，例如硬盘、光盘驱动器、USB 驱动器等。
- MBR/GPT加载：
- 根据 BIOS/UEFI 设置，计算机将查找引导设备的主引导记录（MBR）或分区表（GPT），以确定启动引导加载程序的位置。
- 引导加载程序（Boot Loader）：
- 引导加载程序是启动过程的下一步，它负责加载操作系统内核。在EOS操作系统中，引导加载程序通常是GRUB（GRand Unified Bootloader）或其他引导加载程序。
- 内核加载：
- 引导加载程序加载EOS操作系统内核（Linux内核）到计算机的内存中。内核是操作系统的核心，它负责管理硬件、进程、内存和文件系统等。
- 初始化（init）：
- 一旦内核加载到内存中，它会执行初始化过程，初始化操作系统的各个组件和服务。在Linux中，init 进程是初始化的第一个进程，它将创建其他系统进程，并启动用户界面或命令行终端。
- 启动级别/运行级别（Runlevels）：
- EOS操作系统支持不同的启动级别，每个级别定义了在系统启动时运行的一组服务和任务。用户可以通过更改运行级别来控制系统启动时加载的服务。不同的运行级别可以是单用户模式、多用户模式等。
- 登录/用户界面：
- 最后一步是用户登录或进入用户界面。用户可以通过输入用户名和密码登录，或者进入图形用户界面（GUI）或命令行界面（CLI），具体取决于系统配置。