第一章、计算机系统概述

一、操作系统的基本概念

1.1 操作系统的概念

计算机系统自上而下可分为：硬件、操作系统、应用程序、用户

操作系统是控制和管理整个计算机系统的软件与硬件资源，合理的组织、调度计算机的工作和资源的分配，进而为用户和其他软件提供方便接口与环境的程序集合。操作系统是计算机系统中最基本的系统软件

1.2 操作系统的特征

基本特征包括并发、共享、虚拟、异步

（1）并发

至少两个事件在同一个时间间隔内发生，这些事件在宏观上是同时发生的，在微观上是交替发生的， 操作系统的并发性指系统中同时存在着多个运行的程序

（2）共享

也就是系统资源可以供内存中多个并发执行的进程共同使用。资源共享分为两种方式：

• 互斥共享方式：资源在一段时间内只能有一个进程去访问，其他进程只能等待，这个资源叫做临界资源
• 同时访问方式：在一段时间内可以由多个进程访问资源，当然只是宏观意义上的同时，其实是交替使用

并发和共享式操作系统的两个最基本的特征：

两者互为存在条件：资源共享是以并发为条件的，如果不并发，就么有资源共享的问题；如果系统不能对资源共享实施有效管理，那么就不能实现并发

（3）虚拟

把物理实体变成若干逻辑实体，叫虚拟技术。通过多道程序设计技术，采用让多道程序并发执行的方法，分时来使用一个CPU，实际物理上只有一个CPU，但是用户感觉到有多个CPU叫做虚拟CPU；从逻辑上扩充存储器容量，用户感觉到的但实际不存在的存储器叫虚拟存储器；将一台物理设备虚拟为逻辑上的多台设备，使多个用户在同一时间段内访问同一台设备，即同时共享，用户宏观上感觉是同时的，但实际上是微观交替访问同一台设备的叫做虚拟设备

（4）异步

多道程序环境允许多个程序并发执行，但由于资源有限，如CPU只有一个，进程的执行并不是一贯到底的，而是走走停停的，它以不可预知的速度向前推进

1.3 操作系统的目标和功能

（1）操作系统作为计算机系统资源的管理者

• 处理机管理

在多道程序环境下，cpu的分配和运行都以进程（或线程）为基本单位，因此对cpu的管理可理解为对进程的管理。进程管理的主要功能包括进程控制、进程同步、进程通信、死锁处理、处理机调度等

• 存储器管理

为多道程序的运行提供良好的环境，方便用户使用及提高内存的利用率，主要包括内存分配与回收、地址映射、内存保护与共享和内存扩充等功能

• 文件管理

计算机中所有的信息都是以文件的形式存在的，操作系统中负责文件的管理的部分称为文件系统，文件管理包括文件存储空间的管理、目录管理及文件读写管理和保护等

• 设备管理

设备管理的主要任务是完成用户的I/O请求，方便用户使用各种设备，并提高设备的利用率，主要包括缓存管理、设备分配、设备处理和虚拟设备等功能

（2）操作系统作为用户与计算机硬件系统之间的接口

为了让用户可以更方便快捷的使用计算机硬件并运行程序，操作系统提供了用户接口，包括命令接口和程序接口

• 命令接口：用户通过这些命令去管理作业的执行，包括联机命令接口和脱机命令接口

  • 联机命令接口：又称交互式命令接口，适用于分时或实时系统的接口，由一组键盘操作命令组成。用户输入一条指令，操作系统就执行一条指令

  

  • 脱机命令接口：又称批处理接口，使用于批处理系统，由一组作业控制命令组成。用户输入一堆指令，操作系统运行一堆指令。在操作系统运行这些命令时用户不可干预

  

• 程序接口：编程人员可以使用它们来请求操作系统服务

  • 由一组系统调用（也称广义指令）组成，用户通过在程序中使用这些系统调用来请求操作系统为其提供服务，只能通过用户程序间接调用，如使用各种外部设备、申请分配和回收内存及其它各种要求

  

（3）操作系统实现了对计算机资源的扩充

当只有硬件的时候被称为裸机，后面安装了各种软件，机器称为扩充机器或虚拟机

二、操作系统的发展历程

三、操作系统的运行环境

3.1 处理器运行模式

CPU一般会执行两种程序：内核程序和应用程序，内核程序应该有特权指令去管理由用户编写的应用程序

一般特权指令可以执行：I/O指令、置中断指令，存取用于内存保护的寄存器、送程序状态字寄存器等指令

而非特权指令只有访问用户的地址空间，不能直接访问软硬件资源

而CPU的运行模式划分为两类：用户态（目态）和核心态（管态），比如当开关置于0上，变为核心态，可以执行特权指令，而变为1的时候，为用户态，可以执行非特权指令；应用程序运行在用户态，操作系统内核程序运行在管态，应用程序向操作系统请求服务时通过使用访问管态指令，从而产生中断事件将操作系统转换为核心态

操作系统的各项功能被放在不同的层次上，和硬件关联比较紧密的模块，比如时钟管理、中断处理、设备驱动等处于最底层。其次时运行频率比较高的程序，比如进程管理、存储器管理和设备管理，这两部分构成了操作系统的内核，这部分内容的指令操作工作在核心态

（1）时钟管理

时钟非常关键，首先有计时功能，另外可以通过时钟中断的管理，实现进程的切换，可见系统管理各方面都离不开时钟。比如进程通过时间片切换

（2）中断机制

中断是为了在多道程序运行环境下，提高CPU利用率，后来中断可以实现很多操作：键盘或鼠标信息的输入、进程的管理和调度、系统功能的调用、设备驱动、文件访问等

（3）原语

底层的一些小程序，完成一些规定的操作，特点是：

• 处于操作系统最底层，最接近硬件
• 这些程序具有原子性
• 这些程序运行时间较短、调用频繁

这些小程序叫做原语，定义原语的直接方法是关闭中断，让其所有动作不可分割的完成后再打开中断

系统使用了很多操作系统来记录状态信息，比如作业控制块、进程控制块、设备控制块、各类链表、消息队列、缓冲区、空闲区登记表、内存分配表等，系统的3种常见的操作如下：

• 进程管理：进程状态管理、进程调度和分派、创建与撤销进程控制块等
• 存储器管理：存储器的空间分配和回收、内存信息保护程序、代码对换等
• 设备管理：缓冲区管理、设备分配和回收等

（4）系统控制的数据结构及处理

3.2 中断和异常的概念

（1）中断的过程

当CPU收到计时部件发出的中断信号时，操作系统切换为核心态，并对中断进行处理（通过内核进行处理），此时意味着进程1的时间片已用完，切换到进程2运行，并切换为用户态。进程2运行时可能发出系统调用（内中断信号），请求输出，此时，CPU切换为核心态，并对中断进行处理（进程2暂停运行、等待 I/O 完成，换进程3运行，并切换为用户态）。I/O 完成后，设备向CPU发出中断信号，操作系统切换为核心态，并对中断进行处理（恢复进程2的运行，并切换为用户态，以完成后续工作）

（2）中断和异常的定义

• 中断：也叫外中断，中断信号来源于外部设备，指来自CPU执行指令外部的事件，通常用于信息输入/输出，比如设备发出的I/O结束中断，表示设备输入/输出处理已经完成，时钟中断表示一个固定的时间片已到，让处理机处理计时、启动定时运行的任务
• 异常：也叫内中断，中断信号来源于当前指令，指来自CPU执行指令内部的事件，如程序的非法操作码、地址越界、运算溢出、虚存系统的缺页和专门的陷入指令等引起的事件，异常不能被屏蔽，一旦出现就应该立即处理

（3）中断和异常的分类

外中断可以分为可屏蔽中断和不可屏蔽中断，可屏蔽中断时通过INTR线发出的中断请求，通过改变屏蔽字可以实现多重中断，从而使得中断处理更加灵活，不可屏蔽中断是指通过NMI线发出得中断请求，通常是紧急得硬件故障

异常可以分为故障、自陷、终止，故障通常是由指令执行引起得异常，自陷是一种事先安排得异常，终止时指出现了使得CPU无法继续执行得硬件故障。故障和自陷通常是软件中断，终止和外部中断是硬件中断

（4）中断和异常得处理过程

如果程序遇到中断或异常，先到对应得中断或异常看它是否可以被解决，如果可以解决，那么解决之后，CPU通过执行中断或异常得返回指令，回到原来得程序位置继续执行，如果不能被解决，就终止用户程序

3.3 系统调用

系统调用是指用户再程序中调用操作系统提供的一些子功能，系统调用可视为特殊的公共子程序，系统的各个共享资源都由操作系统管理，用户程序必须通过系统调用区执行有关资源的操作，系统调用大概有以下几类：

1. 设备管理：完成设备的请求或释放，以及设备启动等功能
2. 文件管理：完成文件的读、写、创建和删除等功能
3. 进程控制：完成进程的创建、撤销、阻塞、唤醒等功能
4. 进程通信：完成进程之间消息传递或信号传递等功能
5. 内存管理：完成内存的分配、回收以及获取作业占用内存区大小及始址等功能

用户程序只有通过陷入指令才能执行系统调用，所以必须在内核态才能执行，也就是说用户态将CPU的使用权交给操作系统，执行完系统调用后，再切换给用户程序继续执行