「操作系统」计算机系统概述

操作系统的基本概念

操作系统的概念

1. 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
2. 提供给用和其他软件方便的接口和环境
3. 是计算机系统中最基本的系统软件

操作系统的特征

并发

1. 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
2. 并行：指两个或多个事件在同一时刻同时发生
3. 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
4. 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
5. 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

共享

1. 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
2. 互斥共享方式：系统中的某些资源，虽然可以提供给多个进程使用，但一个时间段内只允许一个进程访问该资源
   1. 例：使用 QQ 和微信视频。一时间段内摄像头只能分配给其中一个进程
3. 同时共享方式：系统中的某些资源，运行一个时间段内由多个进程同时对它们进行访问
   1. 所谓的同时往往是宏观上的，而在微观上，这些进程可能是交替地对该资源进行访问的(即分时共享)
   2. 例：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

并发和共享是两个最基本的特征，二者互为存在条件

• 资源共享是以程序的并发为条件的，若系统不允许程序并发执行，则自然不存在资源共享问题
• 若系统不能对资源共享实施有效的管理，则必须影响到程序的并发执行，甚至根本无法并发执行

虚拟

1. 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
2. 虚拟技术
   1. 时分复用技术：如处理器的分时共享
   2. 空间复用技术：如虚拟存储器

异步

1. 异步：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
2. 只有系统拥有并发性，才有可能导致异步性

操作系统的目标和功能

1. 作为系统资源的管理者
   1. 处理机管理
   2. 存储器管理
   3. 文件管理
   4. 设备管理
2. 作为用户与计算机之间硬件系统之间的接口
   1. 命令接口
      1. 联机命令接口
      2. 脱机命令接口
   2. 程序接口：可以在程序中进行系统调用(广义指令)来使用程序接口。普通户不能直接使用程序接口，只能通过程序代码间接使用
3. 实现对计算机资源的扩充

操作系统发展历程

手工操作阶段

此阶段无操作系统

1. 主要缺点：用户独占全机、人机速度矛盾导致资源利用率极低

批处理阶段

1. 单道批处理系统
   1. 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
   2. 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
   3. 主要缺点
      1. 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
      2. 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
   4. 主要特征
      1. 自动性
      2. 顺序性
      3. 单道性
2. 多道批处理系统
   1. 操作系统正式诞生，用于支持多道程序并发运行
   2. 主要优点：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
   3. 主要缺点：用户响应时间长，没有人机交互功能（用户提交自己的作业之后就只能等待计算机处理完成，中间不能控制自己的作业执行
      1. 无法调试程序/无法在程序运行过程中输入一些参数）

分时操作系统

1. 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
2. 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
3. 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

实时操作系统

1. 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
2. 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
3. 分类
   1. 硬实时操作系统：必须在绝对严格的规定时间内完成处理
      1. 例：导弹控制系统、自动驾驶系统
   2. 软实时操作系统：能接受偶尔违反时间规定
      1. 例： 12306 火车订票系统

网络操作系统和分布式计算机系统

1. 网络操作系统：是伴随着计算机网络的发展而诞生的，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（如文件共享）和各台计算机之间的通信
   1. 例： Windows NT 就是一种典型的网络操作系统，网站服务器就可以使用
2. 分布式操作系统：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
   1. 主要特点：分布性和并行性

个人计算机操作系统

1. 如 Windows XP 、 MacOS

操作系统运行环境

处理器运行模式

1. 指令
   1. 特权指令
   2. 非特权指令
2. CPU状态
   1. 内核态(管态)：说明此时正在运行的是内核程序，此时可以执行特权指令
   2. 用户态(目态)：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

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”

1. 内核态、用户态的切换
   1. 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”，这个动作意味着操作系统将主动让出 CPU 使用权
   2. 用户态 -> 内核态：由“中断”引发，硬件自动完成变态过程，触发中断信号意味着操作系统将强行夺回 CPU 的使用权

中断和异常的概念

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
2. 中断的类型
   1. 内中断(异常、例外)：与当前执行的指令有关，中断信号来源于 CPU 内部
      1. 例1：试图在用户态下执行特权指令
      2. 例2：执行除法指令时发现除数为 0
      3. 例3：有时候应用程序想请求操作系统内核的服务，此时会执行一条特殊的指令——陷入指令，该指令会引发一个内部中断信号
   2. 外中断：与当前执行的指令无关，中断信号来源于 CPU 外部
      1. 例1：时钟中断——由时钟部件发来的中断信号
      2. 例2：I/O 中断_由输入咄设备发来的中断信号
3. 内中断(异常、例外)分类
   1. 陷阱、陷入：一由陷入指令引发，是应用程序故意引发的
   2. 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
   3. 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
4. 中断机制的基本原理
   1. 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

系统调用

1. 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，应用程序可以发出系统调用请求来获得操作系统的服务
2. 系统调用和库函数的区别：编程语言（c,java）中里边有很多库函数，其实它们（不是所有的库函数）就是将系统调用封装起来，隐藏一些细节，使上层进行系统调用更加方便
3. 系统调用发生在用户态，对系统调用的处理发生在核心态
4. 执行陷入指令（自陷指令或访管指令）会处理内中断，使处理器（CPU）从用户态进入核心态