操作系统-01-概述

前言

• 是系统最基本最核心的软件，属于系统软件
• 控制和管理整个计算机的硬件和软件资源
• 合理的组织、调度计算机的工作与资源的分配
• 为用户和其它软件提供方便的接口和环境

1. 基本特征

1. 并发

• 并发：两个或多个事件在同一时间间隔内发生，这些事件在宏观上是同时发生的，在微观上是交替发生的， 操作系统的并发性指系统中同时存在着多个运行的程序
• 并行：两个或多个事件在同一时刻发生
• 一个单核(CPU)同一时刻只能执行一个程序，因此操作系统会协调多个程序使他们交替进行（这些程序在宏观上是同时发生的，在微观上是交替进行的）

2. 共享

• 互斥共享
  同一个时间段只允许一个进程访问资源(摄像头/麦克风)
• 同时共享
  允许一个时间段多个进程“同时”(宏观上)访问某些资源（微观上是分时共享），比如硬盘读写

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,而逻辑上对应物(后者)是用户感受到的。
  • 空分复用(虚拟储存技术)
    • 物理4GB内存，用户看来远大于4GB
  • 时分复用(虚拟处理器技术)
    • 一个CPU看上去是几个CPU,多个程序并发运行

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,是走走停停（等待资源进程阻塞）,以不可预知的速度向前推异步性。

2. 发展和分类

1. 手工操作阶段(IO靠纸带打孔，资源利用率低)

2. 批处理阶段

   • 单道批处理系统
     引入了脱机输入/输出技术（磁带），通过监督程序（操作系统雏形）控制作业输入输出

     外围机负责把输入纸带录入磁带

     缓解了人机速度矛盾，提高了资源利用率，但是CPU是串行的，大量CPU时间浪费在I/O等待上

   • 多道批处理系统
     磁带往内存输入多道程序，并发执行，输入、计算、输出互不干扰

     操作系统诞生，引入了中断技术，资源利用率大幅上升，但是缺少人机交互功能，用户响应时间长（用户提交作业之后只能等待作业完成）

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。

4. 网络操作系统
   • 网络操作系统:是伴随着计算机网络的发展而诞生的,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)

5. 分布式操作系统
   • 分布式操作系统:主要特点是分布性和并行性。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。

6. PC操作系统

   • Windows10

   • MacOS

   • Ubuntu

小结：发展历程

3. 运行机制和体系结构

3.1 运行机制

• 指令

  • 特权指令

    • 内存清零指令

  • 非特权指令

    • 加减乘除运算指令

• 处理器状态

  • 核心态(目管态)

    • PSW=0，运行执行特权指令
      PSW 程序状态字寄存器，通过标志位标识处理器的运行状态

  • 用户态(目态)

    • PSW=1，只能使用非特权指令

• 程序

  • 应用程序
    为了安全，运行在用户态

  • 内核程序
    系统管理者，运行在核心态

3.2 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
  高性能，但是内核代码庞大难以维护
• 微内核
  只把基本概念保留在内核
  功能少，功能清晰方便维护，但是需要频繁的在核心态和用户态之间切换，性能低

3.3 OS内核结构

• 时钟管理

  • 用于计时
  • 通过时钟中断的管理,可以实现进程的切换

• 中断处理

• 原语

  • 运行时间短，调用频繁，原子性运行只能一气呵成，不可中断

• 系统资源管理

  有的操作系统不把这个作为“内核功能”（微内核）

  • 进程管理

  • 储存器管理

  • 设备管理

4. 中断和异常

4.1 概念

• 发生了中断,就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。
• 中断是CPU从用户态->核心态切换的唯一途径。
• 核心态->用户态切换只需要执行一个特权指令，将PSW设置为0

4.2 中断分类

• 内中断(异常/例外/陷入)

  信号来源CPU内部，与当前执行的指令有关

  • 自愿中断(指令中断)
    系统调用时使用的访管指令(陷入指令/trap指令)

  • 强迫中断

    • 硬件故障
      缺页错误

    • 软件中断
      除0错误

• 外中断(狭义中断)

  信号来源CPU外部，与当前执行的指令无关

  • 外设请求
    外设(比如打印机)I/O操作完成发出中断信号
    键盘输入一个字符

  • 人工干预
    用户强制终止一个进程

4.3 中断处理的过程

大致处理过程

• Step 1: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
• Step 2:如果检测到外部中断信号,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)
• Step 3:根据中断信号类型转入相应的中断处理程序(进入核心态)
• Step 4: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

5. 系统调用

5.1 概念

• “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、1/0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。
• 系统调用相关的处理需要在核心态下完成。

5.2 系统调用和库函数的区别

5.3 系统调用过程

参考书籍：《王道考研计算机操作系统》

参考博客 ： https://mubu.com/doc/Cd-Y4YOfkh#

​ https://blog.csdn.net/weixin_43914604/article/details/104415990