计算机操作系统

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、功能和目标

操作系统（Operating System，OS）定义：是指控制和管理整个计算机的硬件和软件资源，并合理地组织调度计算机的工作和资源的分配，以提供给用户和其它软件方便的接口和环境，他是计算机系统中最基本的系统软件。

1、负责管理协调硬件、软件等计算机资源等工作

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，不是硬件

功能：作为系统资源的管理者——处理机管理、存储器管理、文件管理、设备管理.

作为用户和计算机硬件之间的接口——命令接口（联、脱机）、程序接口、GUI（图形用户界面）

作为最接近硬件的层次——实现对硬件机器的拓展

目标：安全、高效

方便用户使用

1.1.2 操作系统的特征

特征：并发、共享、虚拟、异步（并发和共享是两个最基本特征，二者互为存在条件）

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。PS：并行是指两个或多个事件在同一时刻发生

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。

两种共享方式：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（比如微信和QQ不能同时使用摄像头）。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”（这里的双引号是指这些同时往往是宏观上的，微观上可能是交替地对该资源进行访问）对他们进行访问。

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，而逻辑上的对应物（后者）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（如虚拟处理机）

异步：指在多道程序下，允许对个程序并发执行，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。

1.2 操作系统的发展与分类

手工操作阶段（打孔机）

工作方式：用户在计算机上的计算的所有工作都需要人类干预

主要缺点：用户独占全机，人机速度矛盾导致资源利用率低

批处理阶段（操作系统开始出现）

单道批处理系统

工作方式：引入脱机输入/输出技术，并监督程序（操作系统的雏形）负责控制作业的输入输出

优点：缓解了人际矛盾，资源利用有所提升

缺点：资源利用率依然很低

多批到处理系统

工作方式：在内存中多道程序并发进行，在CPU中交替进行。

优点：多道程序并发进行资源利用率高

缺点：用户等待时间长，没有人机交互，用户不知道自己的程序进展如何

分时操作系统

工作方式：计算机以时间片为单位轮流为各位用户、作业提供服务，各个用户通过终端与计算机进行交互

优点：解决了人机交互，用户请求被及时响应

缺点：对于一些突发情况不能及时优先处理

实时操作系统

分类：硬实时操作系统，软实时操作系统

优点：能够优先响应一些紧急的任务，不用等待时间片排队

操作系统历程

1.3 操作系统的运行机制体系结构

1.3.1 操作系统的运行机制和体系结构（大内核、小内核）

运行机制

两种指令

特权指令：不允许用户程序使用比如内存清理指令

非特权指令：加减乘除等普通运算指令

两种处理器状态

用户态（目态）：只能执行非特权命令

核心态（管态）：特权命令，非特权命令都可执行

PS：CPU如何判断当前是否可以执行特权指令

用程序状态寄存器（PSW）中的某标志位来标识当前处理器处于什么状态。如0为用户态，1为核心态

两种程序

内核程序（管理程序）：是系统的管理者，既可执行特权指令，也可执行非特权指令，运行在核心态。

应用程序（用户程序）：为了保证系统的安全运行，只能执行非特权指令，运行在用户态。

操作系统的内核

内核是计算机上配置的底层软件，是操作系统最基本最核心的部分。实现操作系统内核功能的那些程序就是内核程序。

时钟管理（最基本功能）

中断机制（最基本功能）

原语（最基本功能）

系统中的设备驱动、cpu切换、进程通信等功能中的部分操作都可定义为原语

特点：是一种特殊的程序，处于操作系统最底层，是最接近硬件的部分。运行具有原子性，运行时间短，调用频繁。

对资源进行管理：进程管理、存储器管理、设备管理

操作系统的体系结构

大内核

将内核的主要功能模块都作为一个紧密联系的整体运行在核心态

优点：高性能

缺点：内核代码庞大，结构混乱，难以维护。

微内核

将内核的最基本功能保留在内核里

优点：内核功能少，结构清晰，方便维护

缺点：需要频繁的在用户态和核心态之间切换，性能低

操作系统内核在计算机系统中的层次结构

操作系统用户态和核心态的转换

1.3.2 中断和异常

中断机制的诞生：为了实现多道程序并发执行的一种技术，提高资源利用率

中断的概念和作用：发生中断，意味着需要操作系统加入开展管理工作，cpu立即进入核心态。作用，是CPU进入核心态的唯一途径

中断的分类（广义的中断）

内终端（也称异常、例外、陷入） 信号来源CPU内部，与当前执行指令有关

自愿中断（指令故障）如系统调用时使用的访管指令这里分为陷阱、陷入（trap）有意而为之的异常如系统调用、故障（fault）由错误条件引起，可能被故障处理程序修复如缺页、终止（abort）不可恢复的致命错误造成的结果，终止处理程序不再将控制返还给引发终止的应用程序，如整数除以0。

强迫终端分为，硬件故障如缺页、软件故障如整数除以0。

外中断（中断 ） 信号源来源于cpu外部与当前执行的指令无关这是狭义的中断。

分为，外设干预如I/O操作完成发出的中断信号、人工干预如用户强行终止一个进程。

中断的处理过程（指外中断）