操作系统(Operating System,OS) 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。

一、功能和目标

操作系统的作用

  • 作为用户与计算机硬件之间的接口
    • 命令接口:允许用户直接使用
      • 联机命令接口
      • 脱机命令接口
    • 程序接口:允许用户通过程序间接使用
    • GUI:现代操作系统中最流行的图形用户接口
  • 作为系统资源的管理者
    • 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
  • 实现了对计算机资源的抽象

二、操作系统的特征

特征: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。
常考易混概念——并行:指两个或多个事件在同一时刻同时发生。

特征: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。

  • 互斥共享: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。
  • 同时共享:系统中的某些资源,允许一个时间段内由多个进程“同时”对它们进行访问。

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)

生活实例:
互斥共享方式:使用 QQ 和微信视频。同一时间段内摄像头只能分配给其中-个进程。
同时共享方式: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。

并发与共享的关系
并发性指计算机系统中同时存在着多个运行着的程序。
共享性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。
所以并发和共享是互为存在条件的

特征: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( 前者)是实际存在的,而逻辑上对应物(后者)是用户感受到的。

  • 空分复用
  • 时分复用:虚拟技术中的“时分复用技术”。微观上处理机在各个微小的时间段内交替着为各个进程服务。

特征: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,这就是进程的异步性。

三、操作系统的发展和分类

发展阶段
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.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之后才能调入下一道程序。CPU 有大量的时间是在空闲等待 I/0 完成。资源利用率依然很低。

3.多道批处理系统

  • 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 和其他资源保持“忙碌”状态,系统吞吐量增大。
  • 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)

4.分时操作系统
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。

  • 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。
  • 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。

5.实时操作系统

  • 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

6.其他几种操作系统(了解)
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。( 如: 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)
分布式操作系统:主要特点是分布性和并行性。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。

四、操作系统运行机制及层次结构

指令:简单来说,“指令” 就是处理器(CPU) 能识别、执行的最基本命令。比如:加法指令就是让 CPU 进行加法运算。

  • 特权指令:如内存清零指令,不允许用户程序使用
  • 非特权指令:如普通的运算指令

问题:CPU 如何判断当前是否可以执行特权指令?
两种处理器状态

  • 用户态(目态)(内核程序):此时 CPU 只能执行非特权指令
  • 核心态(管态)(应用程序):特权指令、非特权指令都可执行

操作系统的层次结构

操作系统的层次结构

操作系统的体系结构

分为大内核和微内核

类比:
操作系统的体系结构问题与企业的管理问题很相似。

  • 内核就是企业的管理层,负责一些重要的工作。只有管理层才能执行特权指令,普通员工只能执行非特权指令。用户态、核心态之间的切换相当于普通员工和管理层之间的工作交接。
  • 大内核:企业初创时体量不大,管理层的人会负责大部分的事情。优点是效率高;缺点是组织结构混乱,难以维护。
  • 微内核:随着企业体量越来越大,管理层只负责最核心的。 -些工作。优点是组织结构清晰,方便维护;缺点是效率低。

五、中断和异常

中断的概念和作用

1.当中断发生时,CPU 立即进入核心态
2.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
3.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

问题:用户态、核心态之间的切换是怎么实现的?
答:“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”。

中断的分类

外中断的处理过程

  • Step1: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;
  • Step 2: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);
  • Step 3:根据中断信号类型转入相应的中断处理程序;
  • Step 4: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。

六、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- - 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,应用程序可以发出系统调用请求来获得操作系统的服务。

问题:操作系统为什么要提供“系统调用”功能?

比如:打印机的使用。操作系统提供“系统调用”功能,用户进程想要使用打印机这种共享资源,只能通过系统调用向操作系统发出请求。操作系统会对各个请求进行协调管理。

什么是系统调用,有何作用?

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。

系统调用与库函数的区别

普通应用程序 可直接进行系统调用,也可使用库函数。有的库函数涉及系统调用,有的不涉及
编程语言 向上提供库函数。有时会将系统调用封装成库函数,以隐藏系统调用的一些细节,使上层进行系统调用更加方便。
操作系统 向上提供系统调用
裸机

不涉及系统调用的库函数:如“取绝对值"的函数。
涉及系统调用的库函数:如“创建一一个新文件”的函数。

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:

  1. 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
  • 2.发出系统调用请求是在用户态,而对系统调用的相应处理在核心态下进行
  • 3.陷入指令是唯----个只能在用户态执行,而不可在核心态执行的指令


标题:(1)操作系统引论——计算机操作系统复习笔记
作者:AlgerFan
地址:https://www.algerfan.cn/articles/2019/12/28/1577528383017.html
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