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本文目录

1.0 导语

1.1 操作系统做什么？

1.2 计算机硬件系统的组成

1.3 计算机系统的体系结构

1.4 OS的执行

1.5 OS的功能

1.6 OS的发展

1.7 OS对一个程序的处理过程

1.8 写在最后

1.0 导语

操作系统是计算机系统的核心和灵魂，是硬件的首次扩充，又是最重要的系统软件，该课程具有承上启下的重要作用。

（1）对前导课程进行总结和提高

计算系统基础、计算机组成原理、数据结构、软件工程

（2）为后继专业课程的学习打下良好基础

嵌入式系统、服务计算、分布式计算、网格计算、云计算等

1.1 操作系统做什么？

【计算机系统】

系统软件

（1）实现应用软件与计算机硬件的相互通信；

（2）管理计算机各种硬件资源。

应用软件

（1）创建、处理、分析信息；

（2）为终端用户提供服务。

计算机硬件

（1）各种计算机硬件设备；

（2）负责接受输入、处理数据、提供输出。

终端用户

（1）计算机的最终使用者；

（2）应用软件的服务对象。

【计算机系统分层和观点】

【操作系统的定义】

注：没有公认的标准定义
操作系统是计算机系统中的一个系统软件，一些程序模块的集合
管理和控制计算机系统中的软件和硬件资源
合理地组织计算机工作流程
在计算机与其用户之间起到接口的作用。

1.2 计算机硬件系统的组成

【计算机系统的运行】

一个或多个CPU和若干设备控制器、通过公用总线相连（总线提供了对共享内存的访问）
CPU和设备并发执行、竞争访问内存

（1）每种设备控制器负责一种特定的设备类型；

（2）每个设备控制器有一个local缓冲寄存器；

（3）CPU在主存和缓冲寄存器之间移动数据；

设备通过发出中断通知CPU已完成操作
开机时运行引导程序

（1）位于ROM或者EEPROM（电可擦可编程只读内存）；

（2）初始化系统各个组件，从CPU寄存器、设备控制器到内存内容；

（3）定位外存硬盘上的操作系统内核并且加载到内存。

内核加载到内存开始运行

（1）设置和初始化数据结构与表格、建立各种控制系统内核运行的系统进程和系统后台进程；

（2）等待事件发生；

事件发生通过硬件和软件中断来通知

（1）硬件中断的触发：硬件随时通过系统总线发送信号到CPU；

（2）软件中断的触发：程序中发出系统调用；

【中断机制的功能】

将控制转移给中断服务程序

（通过中断向量，它包含了所有中断服务程序的入口地址）

保存中断指令的地址

（1）在系统堆栈上；

（2）处理完中断，保存的返回地址会加载到程序计数器PC，被中断的程序继续执行。

操作系统是中断驱动的

【存储定义与符号】

（1）bit（比特、位）存储的基本单位，所有其他计算机存储都是由位组合而成。位数足够，计算机能够表示各种信息：数字、字母、图像、视频、音频、文档和程序。

（2）Byte（字节）8位、大多数计算机的常用的最小存储。

（3）Word（字）给定计算机架构的常用存储单位，每个字由多个字节组成。计算机的许多操作通常以字为单位。

如：一个具有64位寄存器和64位内存寻址的计算机通常采用64位的字（8字节）

210 bytes = 1KB = 103字节

220 bytes = 1MB = 106字节

230 bytes = 1GB

240 bytes = 1TB

250 bytes = 1PB

【存储结构】

内存、高速缓存

计算机系统结构的一部分，由硬件实现，对操作系统不可见（透明）

主存

（1）CPU能直接访问

（2）易失性

二级存储

（1）主存的扩充、容量大且不易失

（2）硬盘、磁盘

（3）固态硬盘：低功耗、无噪音、体积小、发热量小，读写速度远高于传统硬盘。

注意：

（1）CPU只能从内存中加载命令

（2）固态硬盘与U盘一样，依靠的是闪存芯片存储数据，所以不会出现噪音。机械硬盘用久了经常能听到响声，特别是笔记本。

（3）固态与机械硬盘相比体积小了很多，重量特别轻，比如在一些迷你主机或者轻薄本上

（4）达到机械硬盘读写速度的十几倍甚至更高

（5）功耗远远小于机械硬盘，所以发热量更低，至于省电确实能省但是并不多，不过在笔记本上，发热量小就是最好的有点

（6）固态硬盘容量越大价格涨幅越大，如果是移动固态硬盘，那就更加昂贵了。

（7）寿命短于机械硬盘，但是平时无需考虑这个问题，五六年绝对可以。

（8）固态硬盘在丢失数据后更几乎无法恢复，这点确实是比较大的缺点

【存储设备的层次】

层次结构成功的关键：低层访问频率递减。
存储器的三个特性

（1）容量、存取速度、价格；

（2）存取速度越快，每个“位”的价格越高；

（3）容量越大，每个“位”的价格越低；

（4）容量越大，存取速度越慢。

1.3 计算机系统的体系结构

系统分类：单处理器系统、多处理器系统、集群系统（Clustered Systems）。

【单处理器系统】

特点：只有一个处理器

【多处理器系统】

优点：增加吞吐量、规模经济、增加可靠性
非对称多处理器

（1）主处理器（一个、只运行OS、管理整个系统的资源、为从处理器分配任务）；

（2）从处理器（可有多个、执行应用程序或I/O处理）不同性质任务的负载不均，可靠性不够高。

对称多处理器

（1）每个处理器都参与完成OS的所有任务，没有主从关系；

（2）任务负载分布较为均匀，性能调节容易；

（3）几乎所有现代OS支持，如Mac OSX、Linux、Windows等。

【集群系统】

由两个或多个独立的系统（或节点）组成

（1）每个节点为单核系统或多核系统

（2）集群计算机共享存储

高可用性

集群中的一个或多个系统出错，仍可继续提供服务。

对称的

（1）两个或多个主机都运行应用程序、并互相监视

（2）充分使用现有硬件、当多个应用程序可供执行时，更有效

非对称的

一台处于热备份模式，另一台运行应用程序。

应用

（1）高性能计算(High-Performance Computing)：并行计算（parallelization），将一个程序分成多个部分，并行运行在各个核上

（2）分布锁管理器(Distributed Lock Manager)：多个主机访问共享存储的同一数据。

1.4 OS的执行

【OS执行的内容】

现代操作系统是中断驱动的
硬件中断：设备发出的
软件中断（陷阱或异常）

（1）软件出错（如除数为0、无效的存储访问）、进程试图修改别的进程或OS等

（2）进程发出系统调用，需要OS服务

OS和多个进程共享计算机系统的软硬件资源，为保证OS的正确运行，区分OS代码和用户代码的运行。
多数系统将处理器状态划分为管态和目态。

【双重模式与多重模式的执行】

根据运行程序对资源的机器指令的使用权限划分为：管态、目态。

【管态】

特权态、系统态、内核态
操作系统程序运行时的状态，较高的特权级别。

可以执行所有的指令（包括特权指令）、使用所有的资源，并具有改变处理器状态的能力。

通常，OS在管态下运行。

【目态】

普通态、普态、用户态
用户程序运行时的状态，较低的特权级别。
禁止使用特权指令，不能直接使用系统资源与改变CPU状态，只能访问用户程序所在的存储空间。

【受保护的指令/特权指令】

特权指令：只有操作系统才有权使用的指令。

访问某些硬件资源的指令（如，对I/O设备直接访问的指令）
对内存管理状态进行操作的指令；
某些特殊的状态位的设置指令
停机指令

问：CPU如何来判断当前运行的程序是系统程序还是用户程序呢？

答：通过程序状态字PSW

【程序状态字PSW】Program Status Word

状态码：管态还是目态，决定是否可以用特权指令或拥有其他的特殊权利。
条件码：指令执行后的结果特征值。
中断屏蔽码：是否允许中断。

问：CPU工作状态之间如何进行转换？

管态——>目态（设置PSW）
目态——>管态（系统调用）用户程序无法直接修改程序状态字，通过系统调用实现。

【系统调用】System Call

OS的内核函数，用户程序通过访管指令，请求OS提供某种服务。
当CPU执行访管指令时，引起访管指令；
处理器保存中断点的程序执行上下文环境（PSW、PC、其它寄存器），CPU切换到管态（硬件自动完成）；
中断处理程序开始工作，调用相应的系统服务；
结束后，恢复被中断程序的上下文环境，CPU恢复为目态，回到中断点继续执行。

【用户模式到内核模式的转换】

1.5 OS的功能

【五大功能】

设备管理：设备分类、设备独立性、I/O软件组成、设备分配、虚设备技术、缓冲技术、通道技术、磁盘调度。
文件管理：文件基本概念、磁盘结构、文件目录、文件系统使用、文件系统安全、外存空间管理。
存储管理：存储结构概述、磁盘结构、空闲空间管理、存储空间分配、磁盘调度。
内存管理：地址变换、内存分配和回收、内外存数据的传输、内存保护和共享、虚拟内存。
进程管理：多道程序设计、进程基本概念、进程控制、同步互斥、进程调度、进程通信、进程死锁。

1.6 OS的发展

【发展】

发展动力：需求推动
设备角度：资源利用率、系统性能
用户角度：方便用户
技术角度：物理器件发展

【历史】

真空管（1945-1955）→

晶体管和批处理系统（1955-1965）→

集成电路和多道程序设计（1965-1980）→

PC（1980-1995）→

后PC（1955-至今）

【真空管】

没有程序设计语言、没有OS（如：ENIAC计算机）
程序员提前预约一段时间，然后到机房将他的插件板插到计算机里。
祈祷几万个真空管不会烧断，这样才能设计自己的题目。

【晶体管和批处理系统】

晶体管计算机，操作系统的雏形——监督程序。
把若干个作业合成一批，调入计算机执行，完成后再调入下一批作业。
计算机的应用从数值计算扩大到数据处理、工业过程控制等领域。

【多道程序系统】

定义：在内存中放多道程序，在管理程序的控制下相互穿插地运行。
形成动力：提高资源利用率和系统吞吐量。
硬件基础：60年代通道技术、中断技术。
特点：

（1）多道：计算机内存中同时存放几道相互独立的程序；

（2）宏观上并行：同时有多道程序在内存运行；某一时间段内，各道程序不同程度向前推进；

（3）微观上串行：任一时刻最多只有一道作业占用CPU（单CPU），多道程序交替使用CPU。

优点

（1）资源利用率高

（2）系统吞吐量大（吞吐量：系统单位时间完成的工作总量）

缺点

（1）平均周转时间长（作业周转时间：作业进入系统到完成并退出所用时间）

（2）无交互能力

【分时操作系统】

定义：在一台主机上连接多个带有显示器和键盘的终端，同时允许多个用户通过自己的键盘，以交互的方式使用计算机，共享主机中的资源。
动力：用户需求，交互、共享主机、方便上机。
特点：

（1）多路性：允许同一主机连接多台终端。

（2）独立性：每一个用户独占一个终端。

（3）及时性：用户请求能够及时响应。

（4）交互性：可进行广泛的人机对话。

【PC】Personal Computers

单用户单任务OS：DOS
支持16个任务并发执行：IBM
最广泛应用的OS：Windows

【OS的现状】

桌面操作系统

Windows、Linux、MacOS等

服务器操作系统

Unix/类Unix系列、Windows等

智能手机操作系统和平板电脑操作系统

Android、Apple iOS

1.7 OS对一个程序的处理过程

“hello world”在Linux上运行

【程序代码】

【处理过程】

1.用户输入命令，shell进程被唤醒，对命令解析；

·用户敲击键盘后，键入的信息记录在终端设备文件（tty0）上。

·产生键盘中断信号，系统对键盘中断信号进行处理。

·中断服务程序开始执行后，唤醒shell进程，通过进程调度机制，由进程0切换到shell进程去执行。

·shell进程从tty0终端设备文件上读取用户键入的指令信息，解析该指令，并准备进行相应的处理。

2.调用fork创建一个用户进程，对程序进行控制；

创建进程控制块（task_struct），包括：

（1）进程状态、进程对应的文件

（2）进程调度信息

（3）内存管理信息

（4）文件管理信息

3.加载hello world文件对应的程序；

文件系统：解析文件路径、操作目录文件和目录项、操作i节点表等

内存管理：页面引用计数、页面三级管理机制（页目录表、页表、页面）、页面数据、地址映射机制、缺页中断机制。

注：文件和内存是所有进程可以共用的资源，它们之间还存在着更为复杂的管理关系。

如:两个进程加载同一个hello world文件时，涉及要不要共享，如何共享，共享后页面的引用计数如何计算，读写属性如何确定等。

4.程序开始执行，将“hello world”显示在屏幕上。

设备管理：直接与显示器的底层交互。

步骤：

（1）确定操作合法，然后将字符串转换成像素

（2）将像素写入存储映像区

（3）视频硬件将像素表示转换成一组模拟信号控制显示器

（4）在屏幕上看到“hello world”

问：如果没有操作系统，会怎样？

1.即使是在屏幕上显示一行“hello world”，都要写大量复杂的、具有操作系统所具备的功能的程序

2.甚至无法把程序加载到计算机中，更谈不上得到运行结果了。

【OS在应用程序运行时的作用】

即，OS对应用程序的运行做了什么？

1.提供了对外设的支持

2.支持多个程序同时运行（对运行的多个程序进行有效的组织、管理和协调，防止某个程序独占CPU、内存、外设等资源；防止正在运行的程序之间相互读写和相互覆盖，确保所有程序正确运行）

注意：操作系统不能被应用程序直接读写，更不能被应用程序覆盖。

1.8 写在最后

本文是操作系统系列的第一篇，主要概述绪论部分的内容；也是初九2022年的第一篇文，希望你新年快乐( •̀ ω •́ )✧

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