操作系统概念（一）—

此为本人在期中临近复习操作系统概念时将手写版笔记中的重点进行提炼后，加入个人的理解与思考所写出的总结性笔记，仅供参考。
一、做什么：
1、操作系统是管理计算机硬件的程序，为应用程序提供基础，并充当计算机硬件与用户的中介，多位了方便或高效。
2、操作系统控制和协调各用户的应用程序对硬件的使用，操作系统本身不能实现任何有用的功能，只是提供一个方便其他程序做有用工作的环境。
3、在系统视角下，可以将操作系统看做资源分配器，决定如何为各个程序和用户分配资源，是控制程序，管理用户程序的执行以防止计算机资源的错误适用于使用不当，特别关注I/O设备的操作和控制。
4、操作系统定义：共同的控制和分配I/O设备资源的功能集合所组成的软件模块，并不是一直在CPU上运行。操作系统内核是CPU特权模式下运行的程序，而操作系统=操作系统内核+系统程序。

二、计算机系统组织
1、轮询：CPU定期主动询问周边设备
2、CPU与若干设备控制器通过共同总线相连，每个设备控制器负责一类特定类型的设备，CPUU不与设备直接相连，由此两者可以并行工作，并竞争内存周期。CPU至于设备控制器和内存直接相连。
3、设备控制器是一种硬件，通过搭配相应的驱动（软件程序）与操作系统相连，再通过操作系统与用户程序相连。
4、打开计算机时需先运行一段初始化程序（引导程序），多固定在ROM或EEPROM中，为计算机硬件中的固件，初始化系统中的所有部分，包含CPU寄存器、设备控制器、内存。并将操作系统内核装载到内存中开始执行。
5、事件发生多通过硬件或软件中断，硬件可随时通过系统总线向cpu发出信号以触发中断，软件通过执行特别操作（陷阱指令、异常）如系统调用触发中断。
6、中断需将控制转移到合适的中断处理程序，一般是通过调用中断子程序检查中断信息。中断子程序的指针表位于地地址内存（前100）。这种地址的数组或中断向量可以通过唯一设备号来索引，以提供设备的中断处理子程序的地址。
7、独立编址：内外存分开，地址线分开
8、统一编址：内存的地址线有部分可供外存使用
9、内存是CPU可直接访问的唯一大容量存储区域，程序只有被装入内存中才能够运行。
10、同步I/O设备：CPU等待I/O返回后再处理其他进程
11、异步I/O设备：CPU不等待，当I/O返回后再回来处理
12、操作系统通过中断，可以有多个入口，多个出口，内核运行在监管模式下
13、CPU向cache请求，如果命中则直接放回寄存器，否则cache向主存（内存）请求；如果内存中存在页则将页放入cache中进行更新，如果不存在则向硬盘控制器请求；此时cpu将地址给硬盘控制器，硬盘控制器通过地址将内容从硬盘拿出放到内存中进行更新。
14、设备驱动程序在设备控制器中装载适当的寄存器，设备控制器检测寄存器内容来决定采取什么操作。
15、I/O中断驱动适合少量数据进行移动，DMA（直接内存访问）适合大量数据进行移动。设备控制器多用DMA，能在本地缓冲与内存之间传送一整块数据而不需要CPU干预，每块只产生一个中断，已告知操作已经完成。当设备控制器执行操作时，CPU可进行其他工作。

三、计算机系统体系结构
1、单处理系统：有一个主CPU能执行一个通用指令集，包括来自于用户进程的指令，绝大多数包括其他特定目的的处理器。
2、多处理系统：也称并行系统或者紧耦合系统，有多个紧密通信的CPU，共享计算机总线，有时还有时钟，内存与外设。
①、非对称多处理：一个主处理器控制系统，其他或向主要任务或做预先定义的任务，主处理器负责调度并安排工作。
②、对称多处理：每个处理器都要完成操作系统中的所有任务，多个进程可同时运行并不影响性能。但必须仔细控制I/O以确保数据到达合适的处理器。
3、集群系统：将多个CPU集中，由两个或多个独立的系统耦合起来。

四、操作系统结构
1、多道程序设计：通过组织作业使CPU总有一个作业可执行，从而提高CPU利用率。思想是：操作系统同时将多个任务保存在内存中，并选择一个开始运行，最终该作业可能必须等待另一个任务完成。
2、分时系统：多道程序设计的眼神，仍通过在作业间切换来执行多个作业，但由于切换品率很高，用户可以在程序运行期间进行交互。
3、进程：装到内存并执行的程序
4、分时系统与多道系统都需要在存储器中同时保存有几个作业，当主存比较小时，作业刚开始存储在磁盘的作业池中。

五、操作系统操作
1、现代操作系统由中断驱动，没有中断时会静静等待某件时间发生，事件总是由中断或陷阱这种软中断引起。
2、陷阱：软件产生的中断，可用来调用OS的例程。
3、当在用户模式执行用户进程时，一旦出现中断或陷阱，硬件将切换到内核模式，因此，只要os获得控制，必处于内核模式，而用户程序只运行在用户模式。
4、系统调用服务程序是操作系统的一部分，内核检查中断指令以确定发生了什么系统调用，参数表示用户程序请求什么类型的服务，请求所需要的其他信息通过寄存器、堆栈、内存进行传递。
5、从开机开始，进入引导程序，将操作系统装入内存，初始化，同时初始化-loop程序，无操作时一直执行loop程序，处于用户模式。事件发生时进入内核模式，操作系统处理时间，后将控制重新交给相应的用户程序并进入用户模式。只有在用户程序调用系统调用（陷阱）或定时器引发中断、或者程序执行出现失败（异常）的时候才会进入操作系统。对进程进行调度。
6、中断返回指令只有操作系统才能使用。
7、CPU保护：定时器以特定时间周期发生中断，以确保操作系统维持控制。每次中断时将会发生cpu调度用来调度进程。修改定时器操作的指令是特权指令。

六、进程管理
1、程序本身不是进程，程序是被动的实体，进程是一个活动的实体，单线程进程具有一个程序计数器来明确下一个执行的指令。
2、进程是操作系统工作的单元。
3、操作系统负责：创建和删除用户进程与系统进程；挂起和重启进程；提供进程同步机制；提供进程通信机制；提供死锁处理机制

七、内存管理
1、内存是可以被cpu和I/O设备所共同快速访问的数据仓库
2、一个程序要执行，必先转换成绝对地址存入内存，随着程序的执行，进程可以通过产生绝对地址来访问内存中的程序指令和数据。
3、操作系统负责：记录哪些部分正被使用以及被谁使用；决定哪些进程可装入内存；根据需要分配和释放内存空间

八、存储管理
1、操作系统提供了统一的逻辑信息存储观点，并对存储设备的物理属性进行了抽象，定义了逻辑存储单元，即文件。操作系统将文件映射到物理介质上，并通过这些存储介质访问这些文件，文件多表示程序和数据。
2、文件管理是操作系统最为常见的组成部分。
3、操作系统负责：创建与删除文件；创建与删除目录来组织文件；提供操作文件与目录的原地址；将文件映射到二级存储上；在稳定存储介质上备份文件。
4、高速缓存：可以提高热点数据的访问性能。
①、内部可编程寄存器为内存提供了高速缓存，有的完全由硬件实现。
②、寄存器受控于编译器、底层支持者为高速缓存
③、高速缓存受控于硬件，底层支持者为内存
④、内存受控于操作系统，底层支持者为硬盘
⑤、硬盘受控于操作系统，底层支持者为CD或磁带
5、内存可做外存的高速缓存，外存必须复制到内存中才可以使用
6、每个CPU有自己的内部寄存器与本地高速缓存
7、操作系统的目的在于对用户隐藏具体硬件设备的特性。包含：一个包括缓冲、高速缓存和假脱机的内存管理部分；通用设备驱动器接口；特定硬件设备的驱动程序

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