操作系统（笔记）（一）

1、操作系统的功能和目标

1.1功能

• 存储管理
• 文件管理
• 设备管理
• 处理机管理
• 进程管理

1.2目标

• 方便性：操作系统作为用户与计算机硬件系统之间的接口，提供了直观的命令和界面，使得用户能够更容易地操作计算机。
• 有效性：操作系统旨在提高系统资源的利用率，通过合理组织计算机的工作流程，加速程序的运行，缩短程序的运行周期，从而提高系统的吞吐量。
• 可扩充性：为了适应计算机硬件、体系结构以及应用程序的发展，操作系统需要具有良好的可扩充性，以便于添加、修改相应的功能和模块。
• 开放性：在计算机应用的日益普及和网络环境的转向下，操作系统的开放性变得尤为重要，以便于不同硬件和软件之间的兼容。

直接给用户使用：

• GUI（图形用户界面）
• 命令接口
  • 联机命令接口
  • 脱机命令接口

给软件程序员使用：

• 程序接口

其中命令接口和程序接口统称为“用户接口”

2、操作系统的特征

2.1并发

指的是在一个时间段内，有多任务或多线程在交替执行。在这种情况下，多个任务或线程可能会同时占用CPU资源，但在宏观层面上，它们的执行是按照一定的顺序进行的。并发提高了系统的资源利用率和吞吐量，因为它允许多个任务在不完全同时执行的情况下相互竞争CPU的使用权。并发通常涉及到任务调度和时间片轮询等技术来实现对CPU资源的合理分配。（宏观上同时发生，微观上交替发生）

例子：这就比如一天上午，我8：00-10：00需要学习操作系统，10：00-12：00需要学习数据库，在“一天上午”的角度上看，我这一天上午同时学习了操作系统和数据库，而从“小时”的角度上看，我是交替学习这两门课程的。

注意：单核CPU同一时刻只能执行一个程序，各个程序只能并发进行

           多核CPU同一时刻可以执行多个程序，各程序可以并发进行

2.2并行

则意味着在同一时间段内，多个任务或线程同时在不同的处理器核心上执行。并行计算能够充分利用所有可用的硬件资源，因为它允许多个任务并行运行而不必等待其他任务完成。并行计算可以提高系统的性能和效率，特别是在处理大数据集、图形渲染和其他需要大量计算的任务时。并行可以通过多处理器系统或分布式计算架构实现。

例子：我在学习时，同时学习操作系统和数据库，即在同一时刻，我的脑子里面既是操作系统的知识，又是数据库的知识。

2.3共享

2.3.2互斥共享

某些资源在同一时刻只能被一个进程访问。

2.3.2同时访问共享

允许多个进程在同一时刻访问同一个资源

并发性和共享性互为存在条件。

2.4虚拟

• 空分虚拟技术
• 时分虚拟技术

2.5异步

多个程序并发运行的环境中，每个程序的运行结果、运行次序以及每次运行的时间都是不确定的

只有并发性才会导致异步性

3、操作系统运行机制

特权指令：只能由操作系统使用的指令

支持多道程序运行要区分为特权指令和非特权指令

特权指令一般引起处理器状态的切换

3.1内核态（管态）

操作系统管理程序运行的状态，较高的特 权级别，又称特权态（特态）、内核态、系统态。能够执行所有指令，使用所有资源，改变CPU状态

3.2用户态（目态）

用户程序运行时的状态，较低的特权级别， 又称为普通态（普态）、用户态，只能执行非特权指令

注意：程序状态寄存器（PSW），有一个二进制位用来判断系统处于哪一个状态。

3.3状态转变

3.3.1程序状态寄存器/程序状态字（PSW）

CF： 进位标志位     

ZF： 结果为零标志位     

SF： 符号标志位       

OF： 溢出标志位

TF：陷阱标志位

IF：中断允许（中断屏蔽）标志位

VIF：虚拟中断标志位

VIP：虚拟中断待决标志位

IOPL：IO特权级别

3.3.2管态->目态

执行一条特权指令，修改PSW

3.3.3目态->管态

由中断引起，硬件自动完成

系统调用

4.中断

4.1内中断（也称为异常）

注意上图中管态下执行的指令可以使“特权指令”也可以是“非特权指令”，也就是说管态可以执行计算机所有指令

实例1：试图在目态下执行特权指令

实例2：执行除法时发现除数为0

实例3：有时应用程序想请求操作系统内核的服务

此时会执行陷入指令（trap指令）———会引发一个内部中断信号。注意陷入指令是不是特权指令（因为目态可以正常执行）

4.1.1陷入

此情况是应用程序故意引发的（即一个程序执行，需要用到特权指令，这时非特权指令会执行trap指令，使CPU状态进入管态，执行需要的指令。此从目态到管态的过程，需要执行的非特权指令成为陷入指令，这个过程成为陷入。）

4.1.2故障

由错误条件引起，可能被内核程序修复，修复后内核会把CPU使用权还给应用程序，继续执行下面的指令。

4.1.3中止

由致命错误引起，内核无法修复，一般不会再把CPU使用权还给应用程序，而是直接中止此程序

4.2外中断（狭义地称为中断）

时钟部件每隔一段时间给CPU发送一个中断信号。而且需要时I/O设备也会给CPU发送中断信号。

4.3中断机制的原理

对于不同的中断信号，需要不同的中断处理程序来处理。当CPU检测到中断信号后，会根据中断信号的类型去查询“中断向量表”，以此来找到中断处理程序在内存中存放的位置。

注意：由上面可知，中断处理程序应该是内核程序（需要运行在内核态）

5计算机组织结构

5.1  I/O设备

计算机中的I/O设备指的是计算机与外部进行信息交换的输入、输出设备。

5.1.1输入设备

• 负责将外部的信号经过判别、筛选和编码转换，输入到计 算机中.
• 鼠标、键盘、扫描仪…

5.1.2输出设备

• 将计算机内部信号经过转换，输出到外部介质上
• 打印机、显示器…

5.1.3I/O访问方式

• 程序控制I/O访问
  • 用程序控制I/O设备的运行：检测I/O状态、接受发送指令、 传送数据等。（结构简单、执行效率低---没有中断）
• 中断驱动I/O访问
  • 1）CPU初始化I/O并启动第一次I/O操作。
  • 2）CPU去忙别的事情。
  • 3）当I/O完成时，CPU将被中断。
  • 4）CPU处理中断。
  • 5）CPU恢复被中断的程序。
  • 
• 直接I/O访问
  • DMA方式

6.OS与用户之间的接口

6.1普通用户接口（Shell）

• 图形用户接口
• 命令接口

6.2程序接口（系统调用和API）

• 系统调用（System Call）：提供进程与OS之 间的接口。
• 应用程序接口（API）：在函数的实现中封装 了系统调用。

7演化过程

• 初步操作系统---单道批处理系统
  • 自动性
  • 顺序性
  • 单道性
• 多道操作系统（在一段时间内，有多个程序同时占有CPU的使用权）
  • 多个作业并发批处理运行，在程序执行过程中不能与人进行交互
  • 并发性
  • 不交互性
  • 自动批处理
• 分时操作系统系统
  • 为并发运行的每个程序进程分配 一定的“时间片”（时间段）
  • 当一个程序进程在CPU中运行完 这段时间后，它就被剥夺CPU的 使用权，分时系统调度其它的程 序进程到CPU中并运行
  • 多路性（并发性）
  • 及时性
  • 交互性
  •  独立性
  • 实现共享主机
• 个人操作系统
  • 芯片集成度越来越高，速度越来越快，价格越来越便宜
  • 16位 —> 64位
  • Windows，Linux，Minix，UNIX，Mac
  • 操作简单、界面丰富、可操作性强

例题：多道操作系统是如何让多个作业并发执行的？

• 磁盘中管理多个程序文件，能够进行程序的读入、读出 （文件管理系统）
• 为多个并发程序在内存中分配空间（内存管理）
• 在一个时间段让哪个程序运行，被中断的程序如何恢复运 行（处理器管理-进程管理）
• 为程序使用I/O设备提供方便的系统接口（I/O设备管理）