[系统运维]王道计算机考研 操作系统 第一章 操作系统概述

第一章 操作系统概述

1.1_1 操作系统的概念、功能和目标

概念

计算机系统的层次结构：裸机（纯硬件）=> 操作系统 => 应用程序（软件）=> 用户

操作系统:（Operating System, OS）是指控制和管理整个计算机硬件和软件资源，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。

1. 负责管理协调硬件、软件等计算机资源的工作
2. 为上层的应用程序、用户提供简单易用的服务
3. 操作系统是系统软件，而不是硬件

功能和目标

1. 作为系统资源的管理者——

   功能：文件管理、存储器管理（内存管理）、处理机管理、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——

   功能——

   • 命令接口 (允许用户直接使用)—— 联机命令接口（交互式命令接口，用户说一句，系统做一句）、脱机命令接口（批处理命令接口，用户说一堆，系统做一堆）
   • 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（程序接口=系统调用）
   • 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

   功能：实现对硬件机器的拓展

1.1_2 操作系统的四个特征

并发和共享是两个最基本的特征，二者互为存在条件。

并发和共享的关系：如果失去并发性，则系统中只有一个程序正在运行，则共享性失去存在的意义；如果失去共享性，则QQ和微信不能同时访问硬盘资源，就无法实现同时发送文件，也就无法并发。

1. 并发

   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。

   并发 VS 并行（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存在着多个运行着的程序。

   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（这些程序微观上是交替执行的，但宏观上看起来就像在同时执行）。

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

   两种资源共享方式：

   • 互斥共享方式（一个时间段内只允许一个进程访问该资源）
   • 同时共享方式（允许一个时间段内由多个进程”同时“对该资源进行访问，宏观上的同时）

3. 虚拟

   虚拟指把一个物理上的实体变为若干个逻辑上的对应物。物理实体是实际存在的，而逻辑上的对应物是用户感受到的。

   虚拟技术——

   • 空分复用技术 （如虚拟存储器技术）

   • 时分复用技术 （如虚拟处理器）

   显然，如果失去了并发性，则一个时间段内系统中只运行一个程序，那么就失去了实现虚拟性的意义了。因此，没有并发性，就谈不上虚拟性。

4. 异步

   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，这就是进程的异步性。

   显然，如果失去了并发性，则系统只能串行地处理各个程序，每个进程的执行会一贯到底。只有系统拥有并发性，才有可能导致异步性。

1.1_3 操作系统的发展与分类

1. 手工操作阶段

   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

2. 批处理阶段

   • 单道批处理系统：引入脱机输入/输出技术（用磁带完成），并监督程序负责控制作业的输入输出

     主要缺点：内存中仅有一道程序运行，CPU有大量的时间是在空闲等待I/O完成

   • 多道批处理系统（操作系统开始出现）：

     主要优点：多道程序并发执行，共享计算机资源

     主要缺点：没有人机交互功能

3. 分时操作系统

   计算机以时间片为单位轮流为各用户/作业服务，各个用户可以通过终端与计算机进行交互。

   主要优点：用户请求可以被即时响应，解决了人机交互问题。

   主要缺点：不能优先处理一些紧急任务

4. 实时操作系统

   主要优点：能够优先响应一些紧急任务，不需要时间片排队，及时性、可靠性

   • 硬实时系统（必须在绝对严格的规定时间内完成处理）
   • 软实时系统（能接受偶尔违反时间规定）

1.1_4 操作系统的运行机制与体系结构

运行机制

指令：CPU能识别、执行的最基本的命令

• 特权指令：比如内存清零，不允许用户程序使用
• 非特权指令：比如加减乘除等普通的运算指令

CPU如何判断当前是否可以执行特权指令？

两种处理器状态——用程序状态字寄存器（PSW）中的某标志位来标识当前处理器处于什么状态

• 用户态（目态），此时CPU只能执行非特权指令
• 核心态（管态），此时CPU特权指令、非特权指令都可以执行

两种程序——

• 内核程序：操作系统发内核程序是系统的管理者，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

1.1_5 中断和异常

本质：发生中断就意味着需要操作系统介入，开展管理工作。

中断的分类

• 内中断（异常、例外、陷入）

  信号的来源：CPU内部

  与当前执行的指令有关

  • 自愿中断——指令中断
  • 强迫中断——硬件故障、软件中断

• 外中断（中断）

  信号的来源：CPU外部

  与当前执行的指令无关

  • 外设请求
  • 人工干预

另一种分类方式——

• 内中断
  • 陷阱、陷入（trap）
  • 故障 (fault)
  • 终止 (abort)
• 外中断
  • I/O中断请求
  • 人工干预

1.1_6 系统调用

应用程序通过系统调用请求操作系统的服务。系统中的各种共享资源都由操作系统统一掌管，因此在用户程序中，凡是与资源有关的操作( 如存储分配、I/O操作、 文件管理等)，都必须通过系统调用的方式向操作系统提出服务请求，由操作系统代为完成。这样可以保证系统的稳定性和安全性，防止用户进行非法操作。

系统调用相关的处理需要在核心态下进行。