操作系统概论思维导图

这是一篇关于操作系统概论的思维导图，OS是指控制和管理整个计算机系统的硬件与软件资源合理的组织、调度计算机的工作与资源分配，进而为用户和其他软件提供方便接口与环境的程序集合。是计算机系统中最基本的系统软件。

操作系统

• 概论
  • OS概念（定义）
    • OS是指控制和管理整个计算机系统的硬件与软件资源， 合理的组织、调度计算机的工作与资源分配， 进而为用户和其他软件提供方便接口与环境的程序集合。 是计算机系统中最基本的系统软件。
  • 操作系统的特征
    • 并发（最重要、其他特征的前提）
      • 两个或多个事件在同一时间间隔内发生
    • 共享
      • 系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程共同使用 资源共享即共享
        • 互斥共享方式（对摄像头设备的共享使用）
        • 同时访问方式（对硬盘资源的共享使用）
    • 最基本的特征，二者互为存在条件
    • 虚拟
      • 把一个物理上的实体变为若干逻辑上的对应物
        • 分时使用资源
    • 异步
      • 多道程序环境允许多个程序并发执行，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，它以不可预知的速度向前推进
  • 操作系统的目标
    • 方便性
    • 有效性
    • 可扩充性
    • 开放性
  • 目标和功能 操作系统的作用 提供的服务
    • OS作为计算机系统资源的管理者
      • 处理机管理
      • 存储器管理
      • 设备管理
      • 文件管理
    • OS作为用户与计算机硬件系统之间的接口 （向上层提供服务）
      • 普通用户使用
        • GUI 图形用户接口（最终归结属于程序接口）
        • 命令接口
          • 联机控制方式
            • 联机命令接口（交互式命令接口）适用于分时或实时系统
          • 脱机控制方式
            • 脱机命令接口（批处理命令接口）适用于批处理系统
      • 软件/程序员使用
        • 程序接口（系统调用==广义指令）
          • 用户通过在程序中使用系统调用命令请求OS为其提供服务。 用户在程序中可以直接使用系统调用命令向系统提出各种服务要求。
            • 例如 使用外部设备、进行有关磁盘文件的操作、 申请分配和回收内存以及各种控制要求
    • OS用作扩充机器 实现对计算机资源的抽象
      • 扩充机器/虚拟机：覆盖了软件的机器
• 发展与分类
  • 手工操作阶段
    • 缺点
      • 用户独占全机
      • CPU等待手工操作，CPU利用不充分
    • 人机矛盾、CPU和I/O速度不匹配的矛盾
  • 批处理阶段
    • 单道批处理系统（引入脱机输入输出技术）
      • 优点：缓解人机速度矛盾
      • 缺点：资源利用率仍低，高速CPU等待低速I/O
    • 多道批处理系统（多道程序设计技术 操作系统开始出现） 多道程序设计（多道、宏观上并行，微观上串行）
      • 优点
        • 资源利用率高，多道程序共享计算机资源
        • 系统吞吐量大，CPU和其他资源保持“忙碌”
      • 缺点
        • 用户响应时间长、无人机交互能力
  • 分时OS
    • 优点
      • 提供人机交互功能
    • 缺点
      • 无法优先处理紧急任务
  • 实时OS
    • 软实时系统
      • 能够接受偶尔违反时间规定且不会引起永久性的损害
    • 硬实时系统
      • 某个动作必须绝对地在规定的时刻（或规定的时间范围）发生
    • 优点：能够优先处理紧急任务
  • 微机操作系统
  • 网络OS
  • 分布式OS
  • 个人计算机OS
• 运行环境
  • 运行机制
    • 程序运行原理
      • 高级语言编写程序——>机器指令
      • 程序运行的过程就是CPU执行指令的过程
    • 两种程序
      • 内核程序
      • 应用程序
    • 两类指令
      • 特权指令（例如I/O指令、置中断指令等）
      • 非特权指令
        • 访管指令（程序的运行由用户态转到核心态）
    • 两种处理器状态
      • 内核态/核心态/管态
      • 用户态/目态
    • 如何变态？
      • 内核态->用户态
        • 一条修改PSW的特权指令
      • 用户态->内核态
        • 由中断引起，硬件自动完成
        • 例子
          • 系统调用
          • 发生一次中断
          • 用户程序中产生了一个错误状态
          • 用户程序中企图执行一条特权指令
          • 从核心态转向用户态由一条指令实现，这条指令也是特权命令，一般是中断返回指令
    • 内核（计算机上配置的底层软件） 操作系统最重要最核心的部分
      • 时钟管理
        • 实现计时功能
      • 中断机制
        • 负责实现中断机制
      • 原语
        • 是一种特殊的程序
        • 处于操作系统最底层，是最接近硬件的部分
        • 这种程序的运行具有原子性——其运行只能一气呵成，不能中断
        • 运行时间较短，调用频繁
      • 系统控制的数据结构及处理 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
    • 中断
      • 中断的作用
        • 让操作系统内核强行夺回CPU的控制权
        • 使CPU从用户态变为内核态
      • 中断的分类
        • 内中断（异常/例外/陷入） 与当前执行的指令有关 中断信号来源于CPU内部
          • 陷阱、陷入
            • 陷入指令引发，应用程序故意引发
          • 故障
            • 错误条件引起，可能被内核程序修复。 内核程序修复后会把CPU使用权还给应用程序，让它继续执行。（如缺页中断）
          • 终止
            • 由致命错误引起，内核程序无法修复该错误，一般直接终止该应用程序。 （如整数除以零、非法使用特权指令）
        • 外中断（狭义中断） 与当前执行的指令无关 中断信号来源于CPU外部
          • 外设请求（时钟中断）
          • 人的干预（I/O中断请求）
      • 中断机制的基本实现原理
        • 检查中断信号
          • 内中断：CPU在执行指令时检查是否由异常发生
          • 外中断：每个指令周期末尾，CPU检查是否有外中断信号需要处理
        • 找到相应的中断程序
          • “中断向量表"
    • 系统调用（OS对 应用程序/程序员 提供的接口） 程序接口/广义指令
      • 系统调用是用户在程序中调用OS所提供的一些子功能，可视为特殊的公共子程序 涉及到系统资源管理、进程管理。必须使用某些特权指令，因此运行在核心态
      • 系统调用与库函数的区别
        • 有的库函数是对系统调用的进一步封装
        • 有的库函数没有使用系统调用
      • 什么功能要用系统调用实现
        • 设备管理
        • 文件管理
        • 进程控制
        • 进程通信
        • 内存管理
      • 系统调用的过程
        • 传参
        • 陷入指令/Trap/访管
        • 由操作系统内核程序处理系统调用请求
        • 返回应用程序
• 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，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，更可靠，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，性能低
• 中断和异常
  • 中断处理和子程序调用的区别
    • 入口地址
      • 中断
        • 由中断隐指令根据中断向量得到
      • 子程序调用
        • 由调用程序根据寻址方式得到
    • 保存环境
      • 中断
        • 保存PC,PSW,通用寄存器
      • 子程序调用
        • 保存PC，通用寄存器
    • 进程状态
      • 中断
        • 从用户态转向内核态
      • 子程序调用
        • 无状态变化
• 并行与并发对比
  • OS的并发性是通过分时实现的
  • 并发性
    • 两个或多个事件在同一时间间隔内发生
  • 并行性
    • 两个或多个事件在同一时刻发送
      • 需要硬件支持
  • 多道程序环境下，一段时间，宏观上，多道程序同时执行 某一时刻，单处理机环境下实际仅有一道程序执行，微观上程序分时交替执行