操作系统-王道老师

第一章

目录：

1.操作系统概念、功能和目标
2.操作系统的特征
3.OS的发展和分类
4.OS的运行机制和体系结构
5.中断
6.系统调用

1. 操作系统概念、功能和目标

1.1 操作系统概念：

操作系统是指控制和管理整个计算机系统的硬件和软件资源，并合理的组织调度计算机工作和资源的分配，已提供给用户和其他软件方便的接口和环境，它是计算机系统最基本的系统软件。
简述：
1.负责管理和协调硬件、软件等计算机资源等工作
2.为上层用户、应该程序提供简单易用的服务
3.是一种系统软件

1.2 操作系统的功能和目标

1.2.1 资源的管理者：

处理器管理:当我们运行一个QQ时，QQ整个进程就被处理机(CPU)处理
储存器管理：当我们运行QQ时，需要把QQ这个程序相关数据放到内存中
文件管理:当我们要运行QQ的时，需要在文件夹中找到QQ这个应用程序
设备管理:和朋友视频聊天的时候，将摄像头分配给QQ

1.2.2 向用户提供服务：

• 命令接口：(允许用户直接使用)

联机命令接口：我说一句，系统执行一句。
脱机命令接口：我把要说的放到文件中，一起交给系统来执行。

• 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)

• GUI用户图形界面：

用户可以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。

1.2.3 对硬件机器的扩展：

没有任何软件支持的计算机称为裸机。在裸机上安装操作系统，可以提供资源管理功能和方便用户使用功能，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。

2. 操作系统的特征：

2.1 四大特征：

并发
共享
虚拟
异步

2.2 并发:

指两个或多个时间在同一时间间隔内发生，这些事情宏观上是同时发生的，但微观上是交替发生的。
补充： 并行是指两个或多个事情在同一个时刻同时发生。

2.3 并发VS并行

简单的说，并发是间隔相同的时间来回的执行两个程序，假设只有一个CPU运行两个程序，这个时候就是并发，交替执行进程。
而并行，只是宏观上的同时进行。而并行是由两个CPU来执行两个程序，真正意义上的同事进行。

2.4 共享：

共享即共享资源，是指系统中的资源可供多个并发执行的进程同时使用。

• 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"对他们进行访问。
所谓"同时"，往往都是宏观上的，而在微观上，这些进程可能是交替地对该资源进行访问的(分时共享)

2.5 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）使用户感受到的。
为什么会有这样的感觉？
就是因为多个程序同时执行是并发的，它们宏观上都在执行，但是它们实际上只是交替执行的，这也成为虚拟处理器技术。

• 空分复用技术：虚拟储存技术
• 时分复用技术：虚拟处理器技术

2.6 异步：

异步是指在多到程序环境下，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，而是走走停停的，以不可预知的速度向前推进，这就是进程的异步性。
例如：程序1执行占用了A资源，正在使用A资源，这时候程序2并发执行，但是由于程序1占用了A资源，所有操作了堵塞，只有当程序1将资源用完返回后，程序2才能继续进行下去，所有是以不可预知的速度向前推进。

3. OS的发展和分类

3.1 发展和分类：

手工操作阶段
批处理阶段
分时操作系统
实时操作系统
网络操作系统
分布式操作系统
个人计算机系统

3.2 手工操作阶段：

缺点：人工速度矛盾，人输入的速度跟不上计算机计算的速度

3.3 批处理阶段:

• 单道批处理系统：

引入脱机输入/输出技术,并监督程序负责监控作业的输入、输出
优点：缓解了人机速度矛盾
缺点：资源利用率依然很低

• 多道批处理系统：（操作系统开始出现）

多道程序并发执行，共享计算机资源，资源利用率大幅提升。
优点：多道程序并发执行，资源利用率高
缺点：不提供人工交互功能

3.4 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，各个用户可以通过终端与计算机进行交互。
优点：用户请求可以被及时响应，解决了人机交互问题
缺点：不能优先处理紧急任务，操作系统对各个用户都是公平的，不能区分任务的紧急性。

3.5 实时操作系统：

• 硬实时系统

必须在绝对严格的规定时间内完成处理（应用于导弹系统、自动驾驶系统）

• 软实时系统

允能够接受偶尔违反时间规定（12306火车订票系统）

优点：能优先处理紧急任务

3.6 网络操作系统：

网路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）

3.7 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。

3.8 个人计算机系统：

如Windows XP、Macos， 方便个人使用。

4. OS的运行机制和体系结构

4.1 运行机制：

• 两种指令：

特权指令：不允许用户程序执行，如内存清零
非特权指令：如普通的运算指令

• 两种处理器状态：

核心态（管态）：可以执行特权指令和非特权指令，但是不能执行陷入命令trap（后面介绍）
用户态（目态）：此时CUP只能执行非特权指令

• 两种程序：

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

4.2 操作系统内核：

内核时计算机配置的底层软件,是操作系统最基本、最核心的部分。实现操作系统内核功能的程序就是内核程序

• 时钟管理：

实现计时功能

• 中断处理：

实现中断机制

• 原语：

是一种特殊的程序
处于操作系统的最底层，是最接近硬件的部分
这种程序运行具有原子性——其运行是只能一气呵成，不可中断
运行时间较短，调用频繁

• 对系统资源进行管理的功能：

进程管理
存储器管理
设备管理

4.3 操作系统的体系结构：

• 大内核

将操作系统的主要功能模块都作为系统内核（也就上面的对系统资源进行管理的功能），运行在核心态
优点：性能高，因为是什么事情都可以自己干，不需要在用户态和核心态之间切换
缺点：内核代码庞大，结构混乱，难以维护

• 微内核

只把最基本的功能留在内核（时钟管理、中断处理、原语）
优点：内核功能少，结构清晰，方便维护
缺点：需要频繁的在核心态和用户态之间切换，性能低

5. 中断

5.1 中断机制的诞生：

为了实现多道程序并发执行而引入的一种技术

5.2 中断的基本概念：

当中断发生时，CPU立即进入核心态，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，对于不同中断信号，会进行不同的处理。
原因：当中断发生，就意味着需要操作系统介入，开展管理工作。由于操作的管理工作（比如进程切换、分配I/O设备等）需要特权指令，因此CPU要从用户态转为核心态。中断可以使CPU从用户态切换到核心态，使操作系统的计算机的操控权，有了中断，才能实现多道程序的并发执行。
注：中断实现“用户态->核心态”的唯一途径。

5.3 中断的分类：

• 内终端：（异常、例外、陷入）

自愿终端：指令终端
强迫终端：硬件故障、软件终端

• 外中断：（中断）

外设请求：请求使用设备
人工干预

5.4 内中断的另一种分类方式：

陷阱、陷入（trap）
故障（fault）
终止（abort）

5.5 中断的过程处理：

1.每条执行执行结束以后，CPU检查是否有外部中断信号
2.若有外中断信号，则需要保护被中断进程的CPU环境（方便后面恢复）
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黄静并退出中断，返回原进程继续往下执行

6. 系统调用

6.1 什么是系统调用，有何作用？：

操作系统提供给应用程序使用的接口
应用程序通过系统调用来请求获得操作系统的服务
系统调用会使处理器从用户态变为核心态

6.2 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

6.3 系统调用和库函数的区别：

系统调用是操作系统向上提供的接口
有的库函数是对系统调用的进步封装（也就是对操作系统向上提供的接口的再次封装）
当今编写的应用程序大多是通过高级语言提供的库函数间接进行系统调用

6.4 系统调用背后的过程：

1.传递系统调用参数
2.执行陷入命令
3.执行系统调用相关服务程序
4.返回用户程序
注意：1) 陷入指令是在用户态执行的，执行陷入命令立即就引发一个内中断，从而CPU进入核心态
2) 发生系统调用请求是在用户态，而对系统调用是在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下执行，而不可以在核心态下执行的指令

第一章小结，欢迎大家交流学习！