操作系统的简介
2020 年 11 月 20 日 205 2387 字 暂无评论

01.操作系统的概念、功能和目标

1.1.操作系统的概念(定义)

  • 操作系统(Operating System,0S)是指控制和管理整个计算机系统的硬件和软件资源,并合理地组织调度计算机的工作和资源的分配,以提供给用户其他软件方便的接口和环境,它是计算机系统中最基本的系统软件

1.2.操作系统的功能和目标

  • 操作系统作为系统资源的管理者

    • 补充知识:进程是一个程序的执行过程。执行前需要将该程序放到内存中,才能被CPU处理。
  • 操作系统作为用户与计算机硬件之间的接口,要为其上层的用户、应用程序提供简单易用的服务。

    • 命令接口:允许用户直接使用
    • 程序接口:允许用户通过程序间接使用
    • GUI:现代操作系统中最流行的图形用户接口。
  • 操作系统作为最接近硬件的层次。

    • 实现对硬件机器的拓展。
    • 没有任何软件支持的计算机称为裸机
    • 覆盖了软件的机器称为扩充机器,又称为虚拟机

02.操作系统的特征

2.1 并发

  • 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。
  • 并行:指两个或多个事件在同一时刻同时发生。

2.2 共享

  • 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。

  • 并发性:指计算机系统中同时存在着多个运行着的程序。
  • 共享性:是指系统中资源可供内存中多个并发执行的进程共同使用。

2.3 虚拟

  • 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。
    • 逻辑上对应物(后者)是用户感受到的。

2.4 异步

  • 异步:在多道程序环境下,允许多个程序并发执行,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,这就是进程的异步性。
  • 只有系统拥有并发性,才有可能导致异步性。

03.操作系统的发展与分类

3.1手工操作阶段

  • 主要缺点:用户独占全机、人机速度矛盾导致资源利用率极低。

3.2批处理阶段

  • 单道批处理系统

    • 引入脱机输入/输出技术(用磁带完成),并监督程序负责控制作业的输入、输出

      • 监督程序:操作系统的雏形。
    • 主要优点:缓解了一定程度的人机速度矛盾,资源利用率有所提升。
    • 主要缺点内存中仅能有一道程序运行,只有该程序运行结束之后才能调入下一道程序。CPU有大量的时间是在空闲等待I/O完成。资源利用率依然很低。
  • 多道批处理系统

    • 每次往内存中输入多道程序。操作系统正式诞生,并引入了中断技术,由操作系统负责管理这些程序的运行。各个程序并发执行。
    • 主要优点:多道程序并发执行,共享计算机资源。资源利用率大幅提升,CPU和其他资源保存“忙碌”状态,系统吞吐量增大。
    • 主要缺点:用户响应时间长,没有人机交互功能(用户提交自己的作业之后就只能等待计算机处理完成,中间不能控制自己的作业执行)

3.3分时操作系统

  • 分时操作系统:计算机以时间片为单位轮流为各个用户/作业服务,各个用户可通过终端与计算机进行交互。
  • 主要优点:用户请求可以被即时响应,解决了人机交互问题。允许多个用户同时使用一台计算机,并且用户对计算机的操作相互独立,感受不到别人的存在。
  • 主要缺点不能优先处理一些紧急任务。操作系统对各个用户/作业都是完全公平的,循环地为每个用户/作业服务一个时间片,不区分任务的紧急性。

3.4实时操作系统

  • 在实时操作系统的控制下,计算机系统接收到外部信号后及时进行处理,并且要在严格的时限内处理完事件。实时操作系统的主要特点是及时性和可靠性
  • 主要优点:能够优先响应一些紧急任务,某些紧急任务不需要时间片排队。

3.5其他几种操作系统

  • 网络操作系统

    • 能把网络中各个计算机有机地结合起来,实现数据传送等功能,实现网络中各种资源的共享(如文件共享)和各台计算机之间的通信
    • 如:Windows NT 就是一种典型的网络操作系统,网站服务器就可以使用。
  • 分布式操作系统

    • 主要特点是分布性和并发性。系统中的各台计算机地位相同,任何工作都可以分布在这些计算机上,由它们并行、协同完成这个任务
  • 个人计算机操作系统

    • 如Windows XP、MacOS,方便个人使用。

04.操作系统的运行机制体系结构

4.1运行机制

4.2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

4.3操系统的体系结构

  • 大内核

    • 将操作系统的主要功能模块都作为系统内核,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

    • 只要最基本的功能保留在内核。
    • 优点:内核功能少,结构清晰,方便维护。
    • 缺点:需要频繁地在核心态和用户态之间切换、性能低。

05.中断和异常

5.1中断的概念和作用

  • 当中断发生时,CPU立即进入核心态
  • 当中断发生后,当前运行的进程暂停运行,并由操作系统内核对中断进行处理。
  • 对于不同的中断信号,会进行不同的处理。
  • 发生了中断,意味着需要操作系统介入,开展管理工作。由于操作系统的管理工作(比如进程切换、分配I/O设备等)需要使用特权指令,因此CPU要从用户态转为核心态。中断可以使CPU从用户态切换为核心态,使操作系统获得计算机的控制权。有了中断,才能实现多道程序并发执行。

问题:用户态、核心态之间的切换是怎么实现的?

答:“用户态->核心态”是通过中断实现的。并且中断唯一途径。“核心态->用户态”的切换是通过执行一个特权指令,将程序状态字(PSW)的标志位设置为“用户态”。

5.2中断的分类

  • 中断分类1

  • 中断分类2

5.3外中断的处理过程

  • 执行完每个指令之后,CPU都要检查当前是否有外部中断信号。
  • 如果检查到外部中断信号,则需要保护被中断进程的CPU环境(如程序状态字PSW、程序计数器PC、各种通用寄存器)
  • 根据中断信号类型转入相应的中断处理程序
  • 恢复原进程的CPU环境并退出中断,返回原进程继续往下执行。

06.系统调用

6.1系统调用概念

  • 操作系统作为用户和计算机硬件之间的接口,需要向上提供一些简单易用的服务。主要包括命令接口和程序接口。其中,程序接口由一组系统调用组成。
  • 系统调用”是操作系统提供给应用程序(程序员/编程人员)使用的接口,可以理解为一种可供应用程序调用的特殊函数,应用程序可以发出系统调用请求来获得操作系统的服务。
  • 应用程序通过系统调用请求操作系统的服务。系统中的各种共享资源都由操作系统统一掌管,因此在用户程序中,凡是与资源有关的操作(如存储分配、I/O操作、文件管理等),都必须通过系统调用的方式向操作系统提出服务请求,由操作系统代为完成。这样可以保证系统的稳定性和安全性,防止用户进行非法操作。

6.2系统调用和库函数的区别

6.3系统调用背后的过程

传递系统调用参数->执行陷入指令(用户态)->执行系统调用相应服务程序(核心态)->返回用户程序

  • 注意:

    • 陷入指令是在用户态执行的,执行陷入指令之后立即引发一个内中断,从而CPU进入核心态
    • 发出系统调用请求是在用户态,而对系统调用的相应处理核心态下进行。
    • 陷入指令是唯一一个只能在用户态执行,而不可在核心态执行的指令。

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