25考研操作系统复习·1.1/1.2/1.3 操作系统的基本概念/发展历程/运行环境

目录

操作系统的基本概念

概念（定义）

功能和目标

资源的管理者

向上层提供服务

给普通用户的

给软件/程序员的

对硬件机器的拓展

操作系统的特征

操作系统的发展历程

操作系统的运行环境

操作系统的运行机制

中断和异常

中断的作用

中断的分类（广义的中断）

中断机制的基本原理

系统调用

---

操作系统的基本概念

概念（定义）

1. 负责管理协调硬件、软件等计算机资源的工作
2. 为上层用户、应用程序提供简单易用的服务
3. 是一种系统软件

功能和目标

资源的管理者

处理机管理

存储器管理

文件管理

设备管理

向上层提供服务

给普通用户的

1. GUI用户图形界面
2. 命令接口
   1. 联机命令接口：“雇主”说一句话，“工人”做一件事
   2. 脱机命令接口：“雇主”将要“工人”做的事写在清单上，“工人”按照清单命令逐条完成这些事

给软件/程序员的

程序接口，即系统调用

对硬件机器的拓展

扩充机器

操作系统的特征

1. 并发
2. 共享
   1. 互斥共享方式（如摄像头设备的共享使用）
   2. 同时共享方式（如硬盘资源的共享使用）
3. 虚拟
   1. 空分复用技术（如虚拟存储技术）
   2. 时分复用技术（如虚拟处理器技术）
4. 异步

• 并发是指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。宏观上是同时发生；微观上是交替发生。
• 并行是指系统具有同时进行运算或操作的特性，在同一时刻能完成两种或两种以上的工作。
• 没有并发和共享，就谈不上虚拟和异步，因此并发和共享是操作系统的两个最基本的特性。
• 并发和共享两者之间互为存在的条件
  • 资源共享是以程序的并发为条件的，若系统不允许程序并发执行，则自然不存在资源共享问题。
  • 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。

操作系统的发展历程

要重点关注和理解各类操作系统主要想解决什么问题，各自的优缺点。

1. 👩‍💻 手工操作阶段
   1. 缺点：人机速度矛盾
2. 👩‍💻 批处理阶段
   1. 单道批处理系统（引入脱机输入输出技术）
      1. 优点：缓解人机速度矛盾
      2. 缺点：资源利用率依然很低
   2. 多道批处理系统（操作系统开始出现）
      1. 优点：多道程序并发进行，资源利用率高
      2. 缺点：不提供人机交互功能
3. 👩‍💻 分时操作系统
   1. 优点：提供人机交互功能
   2. 缺点：不能优先处理紧急任务
4. 👩‍💻 实时操作系统
   1. 硬实时系统
      1. 必须在绝对严格的规定时间内完成处理
   2. 软实时系统
      1. 能接受偶尔违反事件规定
   3. 优点：能优先处理紧急任务
5. 网络操作系统
6. 分布式操作系统
7. 个人计算机操作系统

操作系统的运行环境

操作系统的运行机制

“指令”就是处理器（CPU）能识别、执行的最基本命令。很多人习惯把Linux、Windows、MacOS的“小黑框”中使用的命令也称为“指令”，其实这是“交互式命令接口”。要于前面提到的二进制机器指令的区别。

1. 简单了解程序的运行原理
   1. 高级语言编写代码 → 机器指令
   2. 程序运行的过程就是CPU执行指令的过程
2. 两类程序
   1. 内核程序
   2. 应用程序
3. 两类指令
   1. 特权指令
   2. 非特权指令
4. 两种处理器状态
   1. 内核态/核心态/管态
   2. 用户态/目态

---

内核程序 → 特权指令 → 内核态

---

1. 内核
   1. 内核（Kernel）是操作系统最重要的核心的部分
   2. 由很多内核程序组成操作系统内核
2. 👩‍💻 如何变态
   1. 内核态 → 用户态：一条修改PSW特权指令
   2. 用户态 → 内核态：由中断引起，硬件自动完成

中断和异常

中断的作用

1. 让操作系统内核态强行夺回CPU的控制权
2. 使CPU从用户态变为内核态

中断的分类（广义的中断）

1. 内中断（异常）
   1. 与当前执行的指令有关，中断信号来自CPU内部
   2. 自陷（Trap）：由陷入指令引发，是应用程序故意引发的
   3. 故障（Fault）：由错误条件引起的，可能被内核程序修复。内核程序修复故障后会把CPU使用权还给应用程序，使其继续运行。
   4. 终止（Abort）：由致命错误引起，内核程序无法修复该错误，因此一般不再将CPU使用权还给引发终止的应用程序，而是直接终止该应用程序。
2. 外中断（“中断”（狭义的））
   1. 与当前执行的指令无关，中断信号来自CPU外部
   2. 时钟中断
   3. I/O中断请求

中断机制的基本原理

1. 检查中断信号
   1. 内中断：CPU在执行命令时会检查是否有异常发生
   2. 外中断：每个指令周期末尾，CPU都会检查是否有外中断信号需要处理
2. 找到相应的中断处理程序
   1. 通过“中断向量表”实现

系统调用

1. 什么是系统调用？操作系统对应程序/程序员提供的接口。

2. 系统调用与库函数的区别

   1. 有的库函数是对系统调用的进一步封装
   2. 有的库函数没有使用系统调用

3. 什么功能要用系统调用实现

   1. 设备管理
   2. 文件管理
   3. 进程控制
   4. 进程通信
   5. 内存管理

   凡是与共享资源有关的操作、会直接影响到其他进程的操作，就一定需要操作系统的介入，就需要通过操作系统调用来实现

4. 系统调用的过程

   1. 传参
   2. 陷入指令/Trap/访管
   3. 由操作系统内核程序处理系统调用请求
   4. 返回应用程序