操作系统——（1）计算机系统概述

本文最后更新于：5 个月前

1 操作系统的概念和功能

1.1 操作系统的概念（定义）

（1）操作系统是系统资源的管理者

（2）向上层提供方便易用的服务

（3）是最接近硬件的软件

1.2 操作系统的功能和目标

1.2.1 作为系统资源的管理者

执行一个程序前需要将该程序放到内存中，才能被CPU处理

1.2.2 向上层提供方便易用的服务

封装思想：操作系统把一些丑陋的硬件功能封装成简单易用的服务，使用户能更方便地使用计算机，用户无需关心底层硬件的原理，只需要对操作系统发出命令即可

GUI：图形化用户接口

用户可以使用形象的图形界面进行操作，而不再是需要记忆复杂的命令、参数

特点：用户说一句，系统跟着做一句

程序接口：可以在程序中进行系统调用来使用程序接口。普通用户不能直接使用程序接口，只能提供程序代码间接使用

系统调用类似于函数调用，是应用程序请求操作系统服务的唯一方式。

1.2.3 作为最接近硬件的层次

通常把覆盖了软件的机器称为扩充机器，又称为虚拟机。

处理机管理：进程创建、进程控制、进程同步、调度

存储器管理：

内存分配和回收

内存保护（确保每个用户程序仅在自己的内存空间运行；绝对不允许用户程序访问操作系统的程序和数据）

地址映射：逻辑地址转换为物理地址

内存扩充(虚拟存储技术)：请求调入功能、置换功能

设备管理功能：

主要任务：1、完成I/O请求 2、提高CPU和I/O设备的利用率

缓冲管理：缓冲机制

设备分配

设备处理：设备驱动程序

文件管理功能：

文件存储空间管理

目录管理：按名存取

文件的I/O管理和保护

现代操作系统的新功能

系统安全：认证技术、密码技术、访问控制技术、反病毒技术

网络功能和服务：网络通信、资源通信、应用互操作

支持多媒体：接纳控制技术、实时调度、多媒体文件的存储

2 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。

并发性是操作系统一个最基本的特征。

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。

2.2.1 并发和共享的关系

并发性是指计算机系统同时存在着多个运行着的程序。

共享性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。

如果失去并发性，则系统只有一个程序正在运行，则共享性失去存在的意义；

如果失去共享性，则两个程序不能同时访问硬盘资源，就无法实现同时发送文件，也就无法并发

所以，并发和共享互为存在条件。

2.3 虚拟

虚拟是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，而逻辑上的对应物（后者）是用户感受到的。

虚拟存储器技术中的“空分复用技术”

虚拟技术中“时分复用技术”，微观上处理机在各个微小的时间段内交替着为各个进程服务。

没有并发性，就谈不上虚拟性！！！

2.4 异步

异步是指，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。

如果失去了并发性，即系统只能串行地运行各个程序，那么每个程序的执行会一贯到底。

只有系统拥有并发性，才有可能导致异步性

3 操作系统的发展与分类

3.1 手工操作阶段

输入纸带，纸带机（打孔），计算机计算，输出纸带

主要缺点：用户独占全机、人机速度矛盾导致资源利用率低

3.2 批处理阶段——单道批处理系统

引入脱机输入/输出技术（用外围机+磁带，通过外围机把程序提前存到磁带里），并由监督程序负责控制作业的输入、输出

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

3.3 批处理阶段——多道批处理系统

操作系统正式诞生，用于支持多道程序并发运行

每次往内存中读入多道程序

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和其他资源更能保持“忙碌”状态，系统吞吐量大

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。没有在程序运行过程中输入一些参数）

多道批处理系统需要解决的问题：

处理机争用问题

内存分配和保护问题

I/O设备分配问题

文件的组织和管理问题

作业管理问题

用户与系统的接口问题

3.4 分时操作系统

主要优点：用户请求可以被及时响应，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

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，循环为每个用户/作业服务一个时间片，不区分任务的紧急性

3.5 实时操作系统

实时任务的类型：

根据任务执行时是否呈现周期性来划分

根绝对截止时间的要求来划分

3.6 其他操作系统

分布式操作系统：

定义：基于软件实现的一种多处理机系统，是多个处理机通过通信线路互连而构成的松耦合系统

特征：分不行、透明性、同一性、全局性

功能：

单机处理机的功能

网络OS所拥有的全部功能

还包括：通信管理功能、资源管理功能、进程管理功能

嵌入式系统：

为了完成某个特定功能而设计的系统，或是有附加机制得到系统，或是其他部分的计算机硬件与软件的结合体

特点：系统内核小；具有可配置性

微机操作系统：

单用户任务操作系统

单用户多任务操作系统

多用户多任务操作系统

4 操作系统的运行机制

程序是如何运行的？

程序运行的过程其实就是CPU执行一条一条的机器指令的过程

“指令”就是处理机能识别、执行的最基本命令

4.1 特权指令VS非特权指令

操作系统内核作为“管理者”，有时会让CPU执行一些“特权指令”。如内存清零指令，这些指令影响重大，只允许“管理者”——即操作系统内核来使用

应用程序只能使用“非特权指令”

在CPU设计和生产的时候划分了特权和非特权指令，因此CPU执行一条指令前就能判断出其类型

4.2 内核态VS用户态

拓展：CPU中有一个寄存器叫程序状态字寄存器（PSW），其中有个二进制位，1表示内核态（核心态、管态），0表示用户态（目态）

4.3 内核态、用户态的切换

除了非法使用特权指令之外，还有很多时间会触发中断信号。一个共性是，但凡需要操作系统介入的地方，都会触发中断信号

5 中断和异常

5.1 中断的作用

CPU 上会运行两种程序，一种是操作系统的内核程序，一种是应用程序

“中断”是让操作系统内核夺回CPU使用权的唯一途径

如果没有“中断”机制，那么一旦应用程序上CPU运行，COU就会一直运行这个应用程序

5.2 中断的类型

5.2.1 内中断

与当前执行的指令有关，中断信号来源于CPU内部

若当前执行的指令是非法的，则会引发一个中断信号
有时候应用程序想请求操作系统内核的服务，此时会执行一条特殊的指令——陷入指令(trap)，该指令会引发一个内部中断信号

执行“陷入指令”，意味着应用程序主动地将CPU控制权还给操作系统内核。“系统调用”就是通过陷入指令完成的。

5.2.2 外中断

与当前执行的指令无关，中断信号来源于CPU外部

每一条指令执行结束时，CPU都会例行检查是否有外中断信号

1.时钟中断——由时钟部件（每隔一个时间片会给CPU发送一个时钟中断信号）发来的中断信号

2.I/O中断——由输入/输出设备发来的中断信号（当输入输出任务完成时，向CPU发送中断信号

5.3 中断机制的基本原理

6 系统调用

6.1 什么是系统调用，作用？

6.2 系统调用与库函数的区别

6.3 为什么系统调用是必须的？

如果两个进程可以随意地、并发地共享打印机资源，会导致内容混杂在一起

解决方法：由操作系统内核对共享资源进行统一的管理，并向上提供“系统调用”，用户进程想要使用打印机这种共享资源，只能通过系统调用向操作系统内核发出请求，内核会对各个请求进行协调处理

6.4 什么功能要用到系统调用？

6.5 系统调用的过程

注意：1.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，使CPU进入核心态

2.发出系统调用请求是在用户态，对系统调用的相应处理是在核心态下进行

7 操作系统的体系结构

7.1 操作系统的内核

原语是一种特殊的程序，具有原子性。也就是说，这段程序的运行必须一气呵成，不可被“中断”

内核是操作系统最基本、最核心的部分。实现操作系统功能的那些程序就是内核程序

注意：操作系统内核需要运行在内核态；操作系统的非内核功能运行在用户态

注意：变态的过程是有成本的，要消耗不少时间，频繁地变态会降低系统性能

模块化结构：

将OS按功能划分成若干模块，并规定好各模块间的接口，称为：模块-接口法“

优点：提高OS设计的正确性、可理解性和易维护性

增强OS的可适应性

加速OS的开发过程

大部分现代OS采用可加载的内核模块来设计

内核有一组核心组件，提供核心服务

其他服务可在内核运行时动态实现（动态链接）

每个组件在需要时被加载到内核

微内核OS结构

基本概念

足够小的内核应用“机制与策略分裂”原理

基于客户/服务器模式采用面向对象技术

基本功能

进程管理、低级存储器管理、中断和陷入处理

微内核系统的优点和存在的问题

优点：提高了系统的可扩展性

增强了系统的可靠性

可移植性强

提供了对分布式系统的支持

融入了面向对象技术

缺点：运行效率有所降低

主要原因：在完成一次客户对操作系统提出的服务请求时，需要利用消息实现多次交互和和进行用户/内核模型与上下文的多次切换