1.计算机操作系统的概念

1.1 计算机系统的分层

在计算机操作系统中，自下向上分为4层：硬件、操作系统、应用程序、用户。

1.2 计算机操作系统的概念

计算机操作系统是指控制和管理整个计算机系统的软件和硬件资源，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的集合。
操作系统是计算机系统中做基本的系统软件。

1.3操作系统的特征

并发:并发是指两个或多个事件在同一时间间隔内同时发生。计算机操作系统的并发是指计算机系统中同时存在多个运行的程序，因此它具有电镀多个程序的能力。在操作系统中引入进程的目的是为了使程序能够并发执行。
共享：共享是指计算机系统中的资源可供内存中多个进程使用，共享分为互斥共享和同时访问。
（1）互斥共享方式：系统中的某类资源在一段时间内只允许一个进程访问。在某一时间段内只允许一个进程访问的资源成为临界资源。例如大多数的物理设备，以及某些软件的栈、变量和表格。
（2）同时访问方式：在同一时间段内可有多个进程“同时”访问的资源。这里的同时是指在宏观上，而微观上这些进程是在交替的对资源进行访问，即“分时共享”。例如：磁盘设备。
虚拟：虚拟是指把一个物理设备实体变成若干个逻辑上的对应物。例如：虚拟存处理器、虚拟存储器、虚拟设备。
异步：异步是指多道程序环境下，由于资源有限，进程并不是一贯执行到底的，而是走走停停，它以不可预知的速度向前推进。
并发和共享是操作系统做基本的特征，两者之前互为条件：①资源共享是依程序并发为条件的，如果不存在多个程序并发，就不存在资源共享问题。②若系统不能对资源共享实施有效的管理，则必将影响到程序的并发执行，甚至根本无法并发执行。

1.4操作系统的目标和和功能

1.计算机系统资源的管理者
（1）处理机管理
多道程序下，出炉及分配和运行程序都已进程为基本单位，因而对处理及的管理可以归结为对进程的管理，主要包括：进程控制、进程同步、进程通信、死锁处理、处理及调度等。
（2）存储器管理
为了给多道程序的运行提供良好的运行环境，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、内存保护和共享、内存扩充。
（3）文件管理
计算机中的信息都是以文件的形式存在的，操作系统中负责文件管理的部分成为文件系统，主要包括：存储空间的管理、目录管理、文件读写管理及保护。
（4）设备管理
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：缓冲管理、设备分配、设备处理、虚拟设备。
2.作为用户和计算机硬件之间的接口
（1）命令接口:主要包括联机控制方式和脱机控制方式（联机命令接口和脱机命令接口）。
（2）程序接口
程序接口有一组系统调用（也称广义指令）组成。最流行的程序接口为GUI（图形用户界面）。
3.用作扩充机器
我们通常把覆盖了软件的机器称为扩充机器或虚拟机。

1.5操作系统的发展和分类

1.手工操作阶段（无操作系统）
用户在计算机上计算的所有工作都要人工干预，随着计算机硬件的发展人际矛盾越来越大。
缺点：①用户独占全机，不会因资源被其他主机占用而等待，造成资源利用率低。②CPU等待手工操作，CPU利用不充分。
2.批处理阶段（操作系统开始出现）
引入的目的：解决人机矛盾以及CPU和I/O设备之间速度不匹配的矛盾。
分类：单道批处理、多道批处理
1.单道批处理
系统对作业的处理是成批进行的，但内存中始终保持一道作业。
特征：
自动性：顺利情况下，磁带上的作业能够逐个自动运行，无需人工干预。
顺序性：磁带上的作业按顺序进入内存，各道作业的完成顺序与他们进入内存的顺序在正常情况下是完全相同的。
单道性：内存中仅有一道程序运行，只有当该程序出现异常或者完成时，才换入其后的程序进入内存执行。
缺点：当程序进行I/O请求是高速的CPU便处于等待状态，为了进一步提高资源利用率，已入多道程序技术。
2.多道批处理技术
多道程序设计技术允许多个程序同时进入内存并允许他们在CPU中交替运行，这些程序共享系统的各种软硬件资源。当一个程序请求I/O时，CPU便立即转去运行另一个程序。
特征：
多道性：计算机内存中同事存放多道程序。
宏观上并行：同事进入系统的多道程序都处于运行状态，即他们先后开始各自的运行，但都为运行完毕。
微观上串行：内存中多道程序轮流占有CPU，交替执行。
多道程序实现需要解决的问题：
如何分配处理器、内存、I/O设备、如何组织存放大量数据，以方便用户使用并保证安全性和一致性。
优点：资源利用率高，多道程序共享资源是计算机资源得以充分利用；系统吞吐量大，CPU和其他资源保持“忙碌”状态
缺点：用户响应时间长，不提供人机交互能力，用户既不了解自己程序的运行情况，又不能控制计算机。
3.分时操作系统（多终端同时共享一台主机，提供人机交互）
分时技术是指把处理及运行的时间划分成很短的时间片，按时间片轮流把处理器分配给各联机作业使用。若某个作业在分配给他的时间片内不能完成其计算，作业暂时停止运行，等待下一轮再继续运行。由于计算机运行很快，作业六转的也很快，因此每个用户的感觉像是自己独占了一台计算机。
特征：
同时性：也称多路性，指允许多个终端的用户可以同时或基本同时使用一台计算机。
交互性：用户能方便的与系统进行人机对话，即用户通过终端曹勇人机对话的方式直接控制程序，与程序交互。
独立性：系统中多个用户可以彼此独立的进行操作，互不干扰，单个用户感觉不到别人也在使用这台计算机。
及时性：用户的请求能在很短时间内得到响应。（时间片轮转）
解决了人机交互问题，实时性不强。
4.实时性操作系统
为了能在某个时间限制内完成某些紧急任务而不需要时间片排队，诞生了实时操作系统。主要包括硬实时（必须绝对的在规定时间内完成。例如：飞控系统）和软实时（如果能够接受可以偶尔违反实时性规定而不会造成永久性的损害例如：银行系统）
5.网络操作系统和分布式操作系统
网络操作系统：计算机网络中各台计算机相互连接起来，实现各计算机之间的数据相互传送，主要特点是资源共享和通信。
分布式操作系统：系统中任意两台计算机能够通过通信方式交换信息、系统中每台计算机都具有同的地位没有主从之分、每台计算机上的资源为所有用户所共享、系统中任意一台计算都可以构成子系统并且能重构、任何工作都可以分布在这几台计算机上，它们并性工作、协同完成。
特点：分布式、并行性
6.个人操作系统
个人操作系统是目前使用做广泛的，常见的有Windows Linux Mac

1.6操作系统的运行环境

1.6.1 操作系统的运行机制

CPU执行两种不同性质的程序
1.内核程序和用户程序
管理者管理程序运行的管理程序，管理程序执行一些特权指令，特权指令不允许用户直接使用。如I/O指令、中断指令。用户程序是用户自编的程序。
具体实现：CPU的状态划分为用户态（目态）和核心态（又称管态、内核态）。可以理解为CPU内部有个开关当开关为1是CPU处于核心态，为0 时运行在用户态。处于核心态时运行特权指令，处于用户态时执行非特权命令。
系统内核：
1.时钟管理
时钟是最关键的设备
功能：计时提供系统时间、通过时钟中断实现进程切换。
2.中断机制
引入中断的初衷是提高多道程序运行环境CPU的利用率，主要针对外设，后来发展成多种多样。
3.原语
特点：
①处于操作系统的最底层，是最近接硬件的部分
②这些程序具有原子性，所有操作一气呵成
③这些程序运行时间短、调用频繁
使用关闭中断的方法确保原语所有动作不可分割的完成。
4.系统控制的数据结构和处理
①进程管理
②存储器管理
③设备管理

1.6.2 中断和异常

在操作系统中引入核心态和用户态两种工作后，就需要考虑这两种状态之间如何切换。为了解决这个问题因此需要在核心态建立一些“门”，以便实现从用户态进入和心态。在实际操作过程中CPU运行上层程序时唯一能进入这些“门”的途径就是通过中断或异常。
1.中断和异常的定义
终端也称外部中断，指来自CPU执行指令以外的事件的发生。时钟中断是指一个固定的时间片已到。

异常也成内中断、例外或陷入指源自 CPU内部的事件，如程序非法操作码、地址越界、算术移除等引起的事件。对异常的处理一般依赖于当前程序的运行现场，而且异常不能被屏蔽，一旦出现立即处理。
2.中断的处理过程

1.6.3 系统调用

所谓的系统调用，是指在用户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。
系统调用按功能分类：
设备管理：完成设备的请求或释放，以及启动设备等功能
文件管理：完成文件的读、写、创建以及删除等功能
进程控制：完成进程的创建、撤销、阻塞以及唤醒等功能
进程通信：完成进程间的消息传递或者新号传递。
内存管理：完成内存的分配、回收以及获取作业占用内存大小以及起始地址等功能。

用户态向核心态转换的例子：
①用户程序要求操作系统的服务，即系统调用
②发生一次中断
③用户程序中发生一个错误状态
④用户态中企图执行一条特权指令
⑤从核心态转向用户态有一条指令实现，这条指令也是特权指令，一般是中断返回指令。
若程序的运行由用户态转向核心态，则会用到访管指令，访管指令使用户态使用的。

1.6.4大内核和微内核

大内核：大内核操作系统将操作系统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，从而为应用程序提供高性能的系统服务。
微内核：它将内核种最基本的功能保留在内核，而将那些不需要在和心态执行的功能移到用户态执行，从而降低内核设计的复杂程度。

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