导图社区 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。
一篇关于计算机操作系统IO的一些基本概念，介绍详细、描述全面、希望能对感兴趣的小伙伴学习提供帮助。
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计算机操作系统思维导图
计算机组成原理
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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”
用户响应时间长、无人机交互能力
分时OS
提供人机交互功能
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
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
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
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
保存PC,PSW,通用寄存器
保存PC，通用寄存器
进程状态
从用户态转向内核态
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
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
