第一章 计算机系统概述

操作系统第一章考研知识点（详细版），包括：操作系统的基本概念、操作系统的发展与分类、操作系统运行环境、虚拟机、操作系统引导、操作系统体系结构。

第一章 计算机系统概述

• 操作系统的基本概念
  • 概念
    • 负责管理和协调硬件、软件等计算机资源的工作
    • 为上层用户、应用程序提供简单易用的服务
    • 是最接近硬件的一种系统软件
  • 特征
    • 并发
    • 共享
      • 互斥共享方式（如对摄像头设备的共享使用）
      • 同时访问方式（如对硬盘资源的共享使用）
    • 虚拟
      • 空分复用技术（如虚拟存储技术）
      • 时分复用技术（如虚拟处理器技术）
    • 异步
  • 功能和目标
    • 作为计算机系统资源的管理者
      • 处理机管理
      • 存储器管理
      • 文件管理
      • 设备管理
    • 作为用户与计算机硬件系统之间的接口
      • 给普通用户用的
        • 命令接口
          • 脱机命令接口
          • 联机命令接口
        • GUI图形用户界面
      • 给软件/程序员用的
        • 程序接口（系统调用）
    • 实现了对计算机资源的扩充
      • 扩充机器
• 操作系统的发展与分类
  • 手工操作阶段（此阶段无操作系统）
    • 缺点
      • 用户独占主机，人机速度矛盾导致资源利用率低
      • CPU等待手工操作，CPU的利用不充分
  • 批处理阶段
    • 单道批处理系统（引入脱机输入输出技术，监督程序负责控制作业的输入、输出）
      • 操作系统的雏形
      • 特征：自动性、顺序性、单道性
      • 优点：一定程度上缓解了人机速度矛盾，资源利用率有所提升
      • 缺点：内存中仅能用一道程序运行，CPU有大量时间是在等待I/O完成，资源利用率依然很低，平均周转时间长，无交互能力
    • 多道批处理系统（操作系统开始出现）
      • 多道程序设计特点：多道、宏观上并行、微观上串行
      • 优点：资源利用率大幅提高，多道程序并发执行，共享系统资源，从而使各种资源得到充分利用；系统吞吐量大，CPU和其他资源保持“忙碌”状态
      • 缺点：用户响应的时间较长；不提供人机交互能力，用户既不能了解自己的程序的运行情况，又不能控制计算机
  • 分时操作系统
    • 特征：同时性、交互性、独立性、及时性
    • 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
    • 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，循环地为每个用户/作业服务一个时间片，不区分任务的紧急性
  • 实时操作系统（主要特点：及时性、可靠性）
    • 硬实时系统（如：导弹控制系统、自动驾驶系统）
      • 必须在绝对严格的规定时间内完成处理
    • 软实时系统（如：12306火车订票系统）
      • 能够接受偶尔违反时间规定且不会引起任何永久性的伤害
    • 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
  • 网络操作系统
    • 主要特点：网络中各种资源的共享及各台计算机之间的通信
  • 分布式计算机系统
    • 主要特点：分布性、并行性
  • 个人计算机操作系统
• 操作系统运行环境
  • 运行机制
    • 两种程序
      • 内核程序
      • 应用程序
    • 两种指令
      • 特权指令
        • 开/关中断指令
        • 写（置）时钟指令
        • I/O指令
        • 写PSW寄存器指令
      • 非特权指令
        • 取/存数指令
        • 读时钟指令
        • 加减乘除等算数运算指令
        • 寄存器清零指令
        • 压栈/弹栈指令
        • 跳转指令（转移指令）
        • trap指令
    • 两种处理机状态
      • 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
      • 核心态（管态、内核态）
      • 用户态（目态）
    • 如何转换处理机状态
      • 内核态->用户态
        • 一条修改PSW的特权指令
      • 用户态->内核态
        • 有中断引起，硬件自动完成
  • 操作系统内核
    • 支撑功能
      • 时钟管理
      • 中断处理
        • 中断机制中，只有一小部分功能属于内核
      • 原语
        • 一种特殊的程序
        • 特点
          • 处于操作系统的最低层，是最接近硬件的部分
          • 这些程序的运行具有原子性，其操作只能一气呵成
          • 这些程序的运行时间都较短，而且调用频繁
    • 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
  • 中断和异常
    • 作用
      • 让操作系统内核强行夺回CPU的控制权
      • 使CPU从用户态变回核心态
    • 分类
      • 内中断（异常、例外）
        • 自陷（陷阱、陷入）
          • 陷入指令（访管指令）
        • 故障
          • 如缺页故障
        • 软件中断
        • 终止
          • 如整数除0、非法使用特权指令
          • 硬件中断
      • 外中断/中断（硬件）
        • 分类
          • 是否可屏蔽
            • 可屏蔽中断INTR
            • 不可屏蔽中断NMI
          • 功能
            • 时钟中断
            • I/O中断请求
    • 中断处理时保存的数据
      • 硬件负责
        • 程序计数器PC
        • 程序状态字PSW
      • 操作系统负责
        • 其他必要保存的信息，如某些通用寄存器
    • 中断机制的基本实现原理
      • 检查中断信号
        • 内中断：CPU在执行指令时会检查是否有异常发生
        • 外中断：每个指令周期末尾，CPU都会检查是否有外中断信号需要处理
      • 找到相应的中断处理程序
        • 通过“中断向量表”实现
  • 系统调用
    • 按功能分类
      • 设备管理
      • 文件管理
      • 进程控制
      • 进程通信
      • 内存管理
• 虚拟机
  • 第一类虚拟机管理程序
    • 对物理资源的控制权：直接运行在硬件之上，能直接控制和分配物理资源
    • 资源分配方式：在安装Guest OS时，VMM要在原本的硬盘上自行分配存储空间，类似于“外核”的分配方式，分配未经抽象的物理硬件
    • 性能：性能更好
    • 可支持的虚拟机数量：更多，不需要和Host OS竞争资源，相同的硬件资源可以支持更多的虚拟机
    • 虚拟机的可迁移性：更差
    • 运行模式：第一类VMM运行在最高特权级（ring 0），可以执行最高特权的指令
  • 第二类虚拟机管理程序
    • 对物理资源的控制权：运行在Host OS之上，依赖于Host OS为其分配物理资源
    • 资源分配方式：Guest OS拥有自己的虚拟磁盘，该盘实际上是Host OS文件系统中的一个大文件。Guest OS分配到的内存是虚拟内存
    • 性能：性能更差，需要Host OS作为“中介”
    • 可支持的虚拟机数量：更少，Host OS本身需要使用物理资源，Host OS上运行的其他进程也需要物理资源
    • 虚拟机的可迁移性：更好，只需导出虚拟机镜像文件即可迁移到另一台Host OS上，商业化应用更广泛
    • 运行模式：第二类VMM部分运行在用户态，部分运行在内核态。Guest OS发出的系统调用会被VMM截获，并转化为VMM对Host OS的系统调用
• 操作系统引导
  • CPU从一个特定主存地址开始，取指令，执行ROM中的引导程序（先进行硬件自检，再开机）
  • 将磁盘的第一块——主引导记录读入内存，执行磁盘引导程序，扫描分区表
  • 从活动分区（又称主分区，即安装了操作系统的分区）读入分区引导记录，执行其中的程序
  • 从根目录下找到完整的操作系统初始化程序（即启动管理器）并执行，完成“开机”的一系列动作
• 操作系统体系结构
  • 分层法（分层结构）
    • 特性、思想：内核分多层，每层可单向调用更低一层提供的接口
    • 优点
      • 便于系统的调试和验证，自底向上逐层调试验证
      • 易扩充和易维护，各层之间调用接口清晰固定
    • 问题
      • 仅可调用相邻低层，合理定义各层比较困难
      • 不可跨层调用，系统调用执行时间长，效率较差
  • 模块化
    • 特性、思想：将内核划分为多个模块，各模块之间相互协作
      • 内核=主模块+可加载内核模块
    • 优点
      • 提高了操作系统设计的正确性、可理解性和可维护性
      • 增强了操作系统的可适应性
      • 加速了操作系统的开发过程
    • 缺点
      • 模块间的调用接口定义未必合理、实用
      • 模块间相互依赖，难以调试和验证
  • 宏内核（大内核）
    • 将操作系统的主要功能模块都做为系统内核，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
      • 大内核中某个功能出错，就可能导致整个系统崩溃
    • 典型：Linux、UNIX
  • 微内核
    • 只是把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，性能低
    • 典型：Windows NT
    • 基本功能
      • 进程（线程）管理
      • 低级存储器管理
      • 中断和陷入处理
    • 特点
      • 扩展性和灵活性
      • 可靠性和安全性
      • 可移植性
      • 分布式计算
  • 外核
    • 特性、思想：内核负责进程调度、进程通信等功能，外核负责为用户进程分配未经抽象的硬件资源，且由外核负责保证资源使用安全
    • 优点
      • 外核可直接给用户分配“不虚拟、不抽象”的硬件资源，使用户进程可以更灵活的使用硬件资源
      • 减少了虚拟硬件资源的“映射层”，提升效率
    • 缺点
      • 降低了系统的一致性
      • 使系统变得更复杂