操作系统概述思维导图

计算机操作系统教程（左万利），期末复习框图。

操作系统概述

• 概念
  • OS是计算机系统中的一个系统软件，位于硬件层之上，所有其他软件层之下
    • 定义
  • 为用户提供良好的界面； 管理系统中的软硬件资源（处理机管理、存储器管理、I/O设备管理、文件管理）
    • 作用
  • OS是配置在硬件上的第一层软件，是与硬件关系最密切的系统软件； 其他所有软件都依赖于OS的支持
    • 地位
• 历史
  • 1 手工操作阶段：无操作系统，程序和数据通过手工操作记录在穿孔纸带上
  • 2 成批处理阶段：根据 I/O设备是否和主机相连
    • 内存中任意时间内仅有一道作业
    • 批处理体现在从读卡机到磁带机，磁带机到内存是一个一个读入，单道的
    • 联机批处理
      • 
      • 处理机利用Monitor程序处理I/O 作业由读卡机到磁带机的传输需要处理机完成，而设备的传输速度远低于处理机的速度，即I/O设备与CPU直接相连，CPU浪费
    • 脱机批处理
      • 
      • 卫星机处理I/O 解决CPU和外围设备速度不匹配的矛盾
  • 3 执行系统阶段：Monitor常驻内存。硬件的重要进展：通道（I/O处理机）和中断。假脱机：通道取代卫星机，没有磁带机，作业由读卡机到存储区的传输、结果由存储区到打印机的传输由通道完成。
  • 产生
  • 1 多道批处理系统
    • 内存中同时存放几道相互独立的程序
    • 
    • 高级脱机处理 优点：资源利用率高，系统吞吐量大 缺点：作业平均周转时间长，无交互能力，不利于程序的动态调试
  • 2 分时系统
    • 在一台主机上连接了多个带有显示器和键盘的终端，同时允许多个用户共享主机中的资源。（每个用户轮流运行一个时间片）
    • 特点（3个）：多路性、交互性、独占性
  • 3 实时系统
  • 4 通用操作系统
    • 将多道批处理、分时和实时结合在一起
  • 完善
• 特性4个
  • 并发
    • 计算机系统同时存在多个程序。宏观同时，微观交替。区分于并行（多道程序在同一时刻执行）
      • OS最重要的特征
  • 共享
    • 操作系统程序与多个用户程序共用系统中的各种资源
    • 分类
      • 互斥共享：一个进程正在访问该资源时，其他进程必须等待，直到访问完并释放该资源（叫临界资源）
      • 同时共享：宏观同时，微观交替
  • 最基本的两个特征，互为依存
  • 虚拟
    • 把物理上的一个变成逻辑上的多个（分时 分空间）
  • 异步
    • 进程在执行中，其执行时间、顺序、向前推进的速度和完成的时间等都是不可预知的（执行、暂停、执行、暂停......)
    • 原因：并发进程中资源限制等原因
  • 以并发为前提
• 硬件环境8个
  • 定时装置
    • 绝对时钟
    • 间隔时钟（重要）：每隔固定时间，发生一次时钟中断，是最基本的中断产生手段，是现代操作系统（多道程序设计）的基础
  • 系统栈
    • 内存中操作系统空间的一个固定区域
      • 逻辑功能上，内存分为系统空间和用户空间
    • 功能
      • 中断响应时保存中断现场
        • PSW程序状态字寄存器：保存当前程序的运行环境，如当前指令入口地址，管态/目态
        • PC程序计数器：下一条要执行的指令的地址
      • 保存操作系统子程序间相互调用的参数、返回值、返回点以及子程序的局部变量
    • 注意：每个运行程序都有一个对应的系统栈；进程切换的同时伴随系统栈的切换； 硬件只有一个系统栈指针。
  • 处理机状态及状态转换
    • 处理机状态是PSW中的一位标识，也叫机器状态
      • 管态
        • 操作系统运行时所处的状态，可以执行特权和非特权指令。
          • 可以执行硬件提供的全部指令，包括特权指令、非特权指令。特权指令可以修改PSW，而机器状态位是PSW的一部分，因而在管态下可以通过修改PSW来改变机器状态，使之由管态转换为目态。
      • 目态
        • 用户程序运行时所处的状态，只能执行非特权指令。
    • 状态转换
      • 管态→目态 修改程序状态字； 目态→管态 处理机状态由目态到管态的唯一途径是中断。
        • 中断发生时，中断向量中的PSW应标识处于管态，这一标识由操作系统初始化程序设置。 为什么？ 中断发生时，原程序转到中断服务子程序，PSW和PC的值要切换，而只有特权指令才能修改PSW，因此中断发生时处理机状态一定是管态。
  • 特权指令与非特权指令
  • 地址映射机构
    • 硬件需要提供地址映射机构 负责将运行程序产生的逻辑地址变换为内存物理地址
      • 一个程序在内存中的存放位置是随机确定的，因此程序不能采用物理地址，只能采用逻辑地址。
  • 存储保护设施
    • 地址越界检查、对共享区域 越权检查
  • 中断装置
    • 发现并响应中断的硬件机构
  • 通道和DMA控制器
    • 通道 负责I/O操作的处理机
    • DMA 直接内存访问
• 界面形式
  • 交互终端命令（图形用户界面） 作业控制语言 系统调用命令
• 运行机理
  • 现代操作系统是中断驱动的，中断是程序切换的必要条件。
    • 程序P1不可能将CPU的使用权直接交给程序P2，将处理机的使用权由P1转交给P2只能由操作系统完成。
  • 响应中断的过程：将当前进程的中断向量（即当前PSW寄存器和PC寄存器里的值）压入该进程对应的系统栈，根据中断源 从指定内存单元（内存中系统空间的中断向量表里）获得中断服务子程序的中断向量（中断服务子程序的PSW值、PC值），送到中断向量寄存器，从而执行中断服务子程序。