一、操作系統定義及概念

1、操作系統的概念及定義

1.1 操作系統的層次結構

從上至下，用戶——應用程序——操作系統——裸機（純硬件）。

操作系統OS(Operating System)是指控制和管理整個計算機系統的硬件和軟件資源，並合理地組織調度計算機的工作和資源的分配（從當前層次結構中間往兩邊看），提供用戶和其他軟件方便的接口和環境（當前層次結構從下往上看），同時它是計算機系統中最基本的系統軟件（層次結構從上往下看）。

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1.2 操作系統的功能和目標

1. 操作系統作為系統資源的管理者（包括軟件、硬件、文件等），需要提供什么功能
2. 操作系統作為用戶和計算機硬件之間的接口，要為其上層的用戶、應用程序提供簡單易用的服務
3. 操作系統作為最接近硬件的層次，需要在純硬件的基礎上實現什么功能

1.2.1、系統資源的管理者

1.2.2、作為用戶與計算機硬件之間的接口

常考命令接口和程序接口，GUI了解即可

命令接口：

1. 聯機命令接口（交互式命令接口）：

   類比cmd窗口，輸入一句指令，計算機處理一句指令

2. 脫機命令接口（批處理命令接口）：

   類比C盤內*.bat文件

程序接口（系統調用）：

易混概念：系統調用 = 系統調用命令 = 廣義指令

1.2.3、作為最接近硬件的層次

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1.3 操作系統的四個特征

四大特征：並發、共享、虛擬、異步

1.3.1 並發

並發和並行的區分

• 並發
  • 之兩個或多個事件在同一時間間隔內發生。這些事件在宏觀上是同時發生的，但微觀上是交替發生的
• 並行
  • 指兩個或者多個事件在同一時刻同時發生

理解：

操作系統的並發性指的是計算機系統中同時存在着多個運行的程序

事實上，操作系統就是”伴隨多道程序技術“而出現的，因此，操作系統和程序並發是一起誕生的

雖然當今計算機一般是多核CPU，但並發性依然必不可少

1.3.2 共享

共享即資源共享，是指系統中資源可供內存眾多個並發執行的進程共同使用。

分為互斥共享和同步共享

所謂“同時”，往往是宏觀上的，而在微觀上，這些進程可能是交替地對該資源進行訪問（即分時共享）

例子：

並發和共享地關系

兩者互為存在條件

• 如果失去了並發性，共享性就失去了意義
• 如果失去共享性，並發性也無法實現

1.3.3 虛擬

虛擬是指把一個物理上的實體變為若干個邏輯上的對應物。物理實體實際存在，而邏輯對應物使用戶感受到的。

• 公分復用技術

  

• 時分復用技術（時間片）

  

並發性是虛擬性地前提

1.3.4 異步

異步是指多到程序環境下，允許多個程序並發執行，但資源有限，進程的執行不是一貫到底，而是走走停停，以不可預知的速度向前推進，這就是進程的異步性

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1.4 操作系統的發展和分類

• 手工操作階段

  • 用戶獨占全機，人機速度矛盾導致資源利用率極低

• 批處理階段：脫機輸入/輸出技術 （用磁帶完成） 監督程序負責控制作業的輸入、輸出

  • 單道批處理系統：

    

  • 多道批處理系統：

    

• 分時操作階段

  • 

• 實時操作系統

  • 硬實時系統：必須在絕對嚴格地規定時間內完成處理
  • 軟實時系統：能接受偶爾違反是時間規定

  

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1.5 操作系統的運行機制和體系結構

1.5.1 運行機制

1. 兩種指令：

   • 指令的概念：指令就是CPU能識別的最基本的命令

     一條高級語言（如C）翻譯過來可能會對應多條指令

   • 特權指令

   • 非特權指令

   

2. 兩種處理器狀態

   CPU判斷當前是否可以執行特權指令

   • 用戶態（目態）

   • 核心態（管態）

     

3. 兩種程序

   • 內核程序

   • 應用程序

     

1.5.2 操作系統內核

內核是計算機上配置的底層軟件，是操作系統最基本最核心的部分。實現操作系統內核功能的那些程序就是內核程序。

1.5.3 操作系統體系結構

• 大內核

  

• 微內核

  

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1.6 中斷和異常

1.6.1 中斷機制的誕生

早期計算機個程序只能串行執行，系統資源利用率低，為了解決該問題，人們發明了操作系統，引入了中斷機制，實現了多道程序並發執行。

發生中斷就意味着需要操作系統介入，開展管理工作

中斷是CPU從用戶態進入核心態的唯一途徑

1.6.2 中斷的分類

1.6.3 外中斷的處理過程

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1.7 系統調用

1.7.1 什么是系統調用、作用？

系統調用會使處理器從用戶態進入核心態

操作系統，面向用戶是命令接口，面向應用程序是程序接口（由一組系統調用組成）

概念：“系統調用”是操作系統提供給應用程序（程序員）使用的接口，可以理解為可供應用程序調用的一種特殊函數，應用程序可以發出系統調用請求來獲得操作系統的服務。

系統調用的目的：

系統調用按功能分類

注意：系統調用相關處理涉及到對系統資源的管理、對進程的控制，這些功能需要執行一些特權指令才能完成，因此系統調用的相關處理需要在核心態下進行。

1.7.2 系統調用和庫函數的區別

1.7.3 系統調用背后的過程

過程;

傳遞系統調用參數 -> 執行陷入指令（用戶態）-> 執行系統調用相應服務程序（核心態）-> 返回用戶程序

注意點：

1. 陷入指令是在用戶態執行的，執行陷入指令之后立即引發一個內中斷，從而CPU進入核心態
2. 發出系統調用請求是在用戶態，而對系統調用的相應處理是在核心態下進行
3. 陷入指令是唯一一個只能在用戶態執行，而不能在核心態執行的指令