导图社区 408操作系统---第1章 计算机系统
基于王道课程，内容有操作系统、操作系统的特征、操作系统发展和分类、操作系统运行机制、中断和异常、系统调用、操作系统结构、操作系统引导、虚拟机。
基于王道课程，I/O设备、/O控制器（设备控制器）、I/O控制方式、I/O软件层次结构、应用程序接口、设备驱动程序接口。
408操作系统---第4章 文件管理，文件是以硬盘为载体，存储在计算机上的信息集合，用户进行输入输出时以文件为基本单位。
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计算机组成原理
计算机系统
操作系统
操作系统是什么
系统资源的管理者
向上层给用户和其他软件提供方便的接口和环境
通过系统调用使用程序接口
GUI：图形化用户接口
最接近硬件的一层软件
补充：执行一个程序之前需要先将程序放进内存
功能和目标
资源管理者
处理机管理
存储器管理
文件管理
设备管理
向上提供服务
给普通用户的
GUI用户图形界面
命令接口
联机命令接口
交互式命令接口
用户说一句命令，系统做一句命令
脱机命令接口
用于批处理的命令接口
用户给一堆命令，系统做一堆命令
给软件/程序员的
程序接口
即：系统调用
对硬件机器的扩展
扩充机器
操作系统的特征
并发
两个或多个事件在同一时间间隔内同时发生，宏观上同时发生，微观上交替发生
操作系统的并发性：计算机系统同时运行着多个程序，这些程序宏观上是同时运行，微观上是交替运行
共享(资源共享)
系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程共同使用
资源共享方式
互斥共享方式：一个时间段内只允许一个进程访问该资源
摄像头
同时共享方式(同时访问方式)：一个时间段内允许多个进程对他“同时”(交替)进行访问
对硬盘使用
共享与并发关系
失去并发性，系统只有一个程序在运行，共享性就失去了意义
失去共享性，QQ和微信不能同时访问硬盘资源，无法并发
虚拟
把一个物理上的实体变为若干逻辑上的对应物
一对多
时分复用技术(例如：虚拟处理器)
空分复用技术(例如：虚拟存储器)
异步
多道程序并发执行，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
操作系统发展和分类
发展
手工操作阶段
放入纸带，计算机计算，取走结果纸带
问题
批处理阶段
脱机输入输出技术
过程：纸带(多条)→磁带→计算机→磁带
单道批处理系统
内存仅有一道程序在运行
特征
自动
顺序
单道
多道批处理系统
多道程序并发运行
目的
特点
多道
宏观上并行
微观上串行
需要解决问题
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，各个用户通过终端与计算机交互
解决了人机交互问题，多个用户使用同一台计算机
同时性
交互性
独立性
及时性
不足
实时操作系统
优先响应一些紧急任务，某些紧急任务不需要排队
硬实时操作系统
必须在规定时间内完成任务
软实时操作系统
能接受偶尔违反时间规定
网络操作系统
将网络中各个计算机有机结合在一起，实现网络中资源共享和各个计算机间的通信
分布式操作系统
任何工作都能分布在这些计算机上，它们并行、协同完成工作
操作系统运行机制
两种指令
特权指令：不允许用户直接使用，如I/O指令
内存清零指令
非特权指令：允许用户直接使用
加法指令等
两种不同程序
操作系统内核程序
时钟管理
中断机制
原语
系统控制的数据结构及处理
用户自编程序(应用程序)
两种处理器状态
内核态(核心态/管态)
用户态(目态)
记录在程序状态寄存器PSW里面
操作系统变态
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
中断和异常
中断作用
让操作系统内核夺回CPU控制权(内核态)
中断向量表
根据中断信号，查询中断处理程序
中断信号类型
中断处理程序指针
不同的中断信号，需要不同的中断处理程序来执行
检查中断信号
内中断：CPU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会检查是否有中断信号需要处理
中断类型
内中断(异常)
例子
非法操作码
除数为0
地址越界
运算溢出
与当前执行的指令有关，中断信号来自CPU内部
内部异常无法屏蔽，一旦产生立马处理
分类
故障
错误条件引起，可能被内核程序修复
自陷
陷入指令引起
应用程序主动将CPU控制权交还操作系统
例如：系统调用，通过内陷实现
陷入指令=trap指令=访管指令
终止
由致命错误引起，内核无法修复
外中断(中断)
I/O设备中断
与当前执行的指令无关，中断信号来自外部
时钟中断
时钟部件发送
可屏蔽中断（INTR）
不可屏蔽中断（NMI）
系统调用
通俗理解：通过系统调用，将需求提交给操作系统，操作系统统一协调需求，操作系统负责管理系统资源
按功能分类
进程控制
进程通信
内存管理
凡是共享资源有关的操作，都必须通过系统调用，向操作系统内核提出请求
操作系统结构
大内核(宏内核)
内核态
时钟管理、中断处理、原语
进程管理、存储管理、设备管理
用户态
应用程序
优点：高性能
缺点：内核代码庞大，结构混乱、难以维护
微内核
背景
优点：内核功能少，结构清晰、便于维护
缺点：需要频繁地在核心态和用户态之间切换，性能低
分层结构
将操作系统分为若干层，每层只能调用紧邻的低层功能和服务
优点
缺点
效率低，只能相邻层调用
模块化
结构特点
任何模块可以调用其他模块，效率高
模块之间相互依赖，难以调试验证
外核
操作系统引导
开机的时候，让操作系统运行起来的过程
过程
利用CPU执行特定程序：识别硬盘→识别硬盘分区→识别分区上的操作系统→通过程序启动操作系统
虚拟机
使用虚拟化技术，将一台物理机器虚拟化为多台虚拟机器
虚拟机管理程序(VMM)分类
第一类虚拟机管理程序
直接运行在硬件之上，可以直接分配硬件资源
运行在内核空间
第二类虚拟机管理程序
运行在Host OS(宿主操作系统)之上，依赖于宿主操作系统为其分配
运行在用户空间
两类虚拟机管理程序的区别
