操作系统笔记一:操作系统引论

目录

• 操作系统引论
  • 概念(定义)
  • 功能和目标
  • 四个特征
    • 并发
    • 共享
    • 虚拟
    • 异步
  • 发展和分类
    • 手工操作阶段
    • 单道批处理系统
    • 多道批处理系统
    • 分时操作系统
    • 实时操作系统
    • 其他操作系统
  • 运行机制
    • 两种指令
    • 两种处理器状态
    • 两种程序
  • 操作系统内核
  • 体系结构
    • 大内核
    • 微内核
  • 中断和异常
    • 概念和作用
    • 分类
    • 外中断处理过程
  • 系统调用
    • 按功能分类
    • 背后的过程

操作系统引论

概念(定义)

操作系统(Operating System,OS)是指控制和管理整个计算机系统的硬件和软件资源,并合理地组织调度计算机的工作和资源分配,以提供给用户和其他软件方便的接口和环境,它是计算机系统中最基本的系统软件。

功能和目标

1. 作为系统资源的管理者

   补充知识:进程是一个程序的执行过程。执行前需要将该程序放到内存中,才能被CPU处理。

   • 提供的功能:处理机管理、存储器管理、文件管理、设备管理
   • 目标:安全、高效

2. 作为用户和计算机硬件之间的接口

   • 提供的功能:

     1. 命令接口(允许用户直接调用):

        • 联机命令接口:用户说一句,系统做一句
        • 脱机命令接口(批处理命令接口):用户说一堆,系统做一堆

     2. 程序接口(允许用户通过程序间接使用):有一组系统调用组成(程序接口=系统调用)

        易懵概念:系统调用=系统调用命令=广义指令

     3. GUI(图形用户接口):用户可以在使用形象的图形界面进行操作,而不再需要记忆复杂的命令,参数。

   • 目标:方便用户使用

3. 作为最接近硬件的层次

   需要提供的功能和目标:实现对硬件机器的扩展。

   没有任何软件支持的计算机称为裸机。在裸机上安装的操作系统,可以提供资源管理功能和方便用户的服务功能,将裸机改造成功能更强、使用更方便的机器。通常把覆盖了软件的机器称为扩充机器,又称之为虚拟机。

四个特征

并发

指两个或多个事件在同一事件间隔内发生。这些事件宏观上是同时发生的,但微观上是交替发生的。

操作系统的并发性指计算机系统中同时存在多个运行着的程序。

事实上,操作系统就是伴随着"多道程序技术"而出现的。因此,操作系统和程序并发是一起诞生的。

共享

共享是资源共享,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。

• 互斥共享方式:系统中的某些资源,虽然可以提供给多个进程使用,但一个时间段内只允许一个进程访问该资源。
• 同时共享方式:系统中的某些资源,允许一个时间段内由多个进程"同时"对它们进行访问。

所谓的"同时"往往是宏观上的,而在微观上,这些进程可能是交替地对该资源进行范围的(即分时共享)。

并发性和共享性是互为存在条件的。

虚拟

虚拟是指把一个物理上的实体变成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。

补充知识:一个程序需要放入内存并给它分配CPU才能执行。

虚拟技术:

• 空分复用技术(如虚拟存储技术)
• 时分复用技术(如虚拟处理器)

没有并发性,也就谈不上虚拟性。

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,这就是进程的一不行。

只有系统拥有并发性,才有可能导致异步性。

发展和分类

手工操作阶段

主要缺点:用户独占全机、人机速度矛盾导致资源利用率极低。

单道批处理系统

引入脱机输入/输出技术(用磁带完成),并监督程序(操作系统雏形)负责控制作业的输入、输出

主要优点:缓解了一定程序的人机速度矛盾,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。

多道批处理系统

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)

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,循环为每个用户/作业服务一个时间片,不区分任务的紧急性。

实时操作系统

主要优点:能够优先响应一些紧急任务,某些紧急任务不需时间片排队。

在实时操作系统的控制下,计算机系统接收道外部信号后及时进行处理,并且要在严格的时限内处理完事件。实时操作系统的主要特点是及时性和可靠性。

• 硬实时系统:必须在绝对严格的规定时间内完成处理(如:导弹控制系统,自动驾驶系统)
• 软实时系统:能接受偶尔违反时间规定(如:12306火车订票系统)

其他操作系统

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,实现网络中各个资源共享(如文件共享)和各台计算机之间的通信。

分布式操作系统:主要特点是分布性和并行性。系统中的各个计算机地位相同,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。

个人计算机操作系统:如window,MacOs,方便个人使用。

运行机制

两种指令

• 特权指令:如内存清零指令
• 非特权指令:如普通的运算指令

两种处理器状态

用程序状态字寄存器(PSW)中的某标志位来标识当前处理器处于什么状态。如0为用户态,1为核心态。

• 用户态(目态):此时CPU只能执行非特权指令
• 核心态(管态):特权指令、非特权指令都可执行

两种程序

• 内核程序:操作系统的内核程序是系统的管理者,既可以执行特权指令,也可以执行非特权指令,运行在核心态。
• 应用程序:为了保证系统能安全运行,普通应用程序只能执行非特权指令,运行在用户态。

操作系统内核

内核是计算机上配置的底层软件,是操作系统最基本、最核心部分。

实现操作系统的内核功能的那些程序就是内核程序。

体系结构

大内核

将操作系统的主要功能模块作为系统内核,运行在核心态。

优点:高性能

缺点:内核代码庞大,结构混乱,难以维护。

微内核

只把最基本的功能保留在内核。

优点:内核功能少,结构清晰,方便维护。

缺点:需要频繁地在核心态和用户态之间切换,性能底。

中断和异常

本质:发生中断就意味着需要操作系统介入,开展管理工作。

概念和作用

1. 当中断发生时,CPU立即进入核心态。
2. 当中断发生后,当前运行的进程暂停运行,并由操作系统内核对中断进行处理。
3. 对于不同的中断信号,会进行不同的处理。

分类

内中断(也称异常、例外、陷入):

• 自愿中断:指令中断(如:系统调用时使用访管指令,又叫陷入指令、trap指令)。
• 强迫中断:硬件故障(如:缺页)、软件中断(如:整数除0)

外中断(中断):

• 外设请求:如I/O操作完成发出的中断信号
• 人工干预:如用户强行终止一个进程

外中断处理过程

1. 执行外每个指令之后,CPU都要检查当前是否又外部中断信号
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)
3. 根据中断信号类型转入相应的中断处理程序
4. 恢复原进程的CPU环境并退出中断,返回原进程进行往下执行。

系统调用

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(如存储分配都、I/O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。

系统调用的相关操作在核心态进行。

按功能分类

• 设备管理:完成设备的请求/释放/启动等功能
• 文件管理:完成文件的读/写/创建/删除等功能
• 进程控制:完成进程的创建/撤销/阻塞/唤醒等功能
• 进程通信:完成进程之间的消息传递/信号传递等功能
• 内存管理:完成内存的分配/回收等功能

背后的过程

传递系统调用参数->执行陷入指令(用户态)->执行系统调用相应服务程序(核心态)->返回用户程序

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,从而CPU进入核心态
2. 发出系统调用请求是在用户态,而对系统调用的相应处理在核心态下进行
3. 陷入指令是唯一一个只能在用户态执行,而不可在核心态执行的指令

作者：Ligo丶

出处：https://www.cnblogs.com/Ligo-Z/

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