操作系统引论

考研计算机操作系统第一章知识总结，计算机操作系统的概念、功能和目标、操作系统的特征、OS的发展与分类、OS的运行机制和体系结构、中断和异常、系统调用。

第一章 操作系统引论

• 概念
  • 负责管理协调硬件、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
  • 是一种系统软件
• 功能和目标
  • 资源的管理者
    • 提供的功能
      • 处理机管理
      • 存储器管理
      • 文件管理
      • 设备管理
    • 目标
      • 安全、高效
  • 用户和硬件间的接口
    • 提供的功能
      • 命令接口
        • 用户直接使用
        • 联机命令接口
          • 交互式
        • 脱机命令接口
          • 批处理
      • 程序接口
        • 用户通过程序间接使用程序接口=系统调用=广义指令
        • 由一组系统调用组成
      • GUI（图形用户界面）
    • 目标
      • 方便用户使用
  • 对硬件机器的扩展
    • 扩充机器
• 操作系统的特征
  • 并发
    • 宏观同时发生，微观交替发生
    • 与并行区分，并行：微观同时发生
  • 共享
    • 互斥共享方式
      • 一个时间段，一个进程访问，摄像头等
    • 同时共享方式
      • 一个时间的，多个进程访问，硬盘等
  • 最基本特征，互为存在条件
  • 虚拟
    • 概念
      • 把一个物理上的实体变成若干个逻辑的对应物
    • 技术
      • 空分复用技术
        • 虚拟存储技术，即内存
      • 时分复用技术
        • 虚拟处理器技术，即CPU
  • 异步
    • 多个进程走走停停，交替运行
• OS的发展与分类
  • 手工操作阶段
    • 缺点
      • 人机速度矛盾
  • 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
        • 资源利用率低
    • 多道批处理系统
      • 操作系统开始出现
      • 优点
        • 多道程序并发执行，资源利用率高
      • 缺点
        • 不提供人机交互功能
  • 分时操作系统
    • 优点
      • 提供人机交互功能
    • 缺点
      • 不能优先处理紧急任务
  • 实时操作系统
    • 硬实时系统
      • 必须在规定时间内完成处理
    • 软实时系统
      • 能接受偶尔违反时间规定
    • 优点
      • 能优先处理经济任务
  • 网络操作系统
  • 分布式操作系统
  • 个人计算机操作系统
• OS的运行机制和体系结构
  • 运行机制
    • 两种指令
      • 非特权指令
        • 普通的运算指令
      • 特权指令
        • 不允许用户程序使用
        • 内存清零指令
    • 两种处理器状态
      • 用程序状态字寄存器(PSW)某个标志位来标识处于何态
      • 用户态(管态)
      • 核心态(管态)
      • 用户态->核心态：中断核心态->用户态：执行一个特权指令，将PSW设置为用户态
    • 两种程序
      • 应用程序
      • 内核程序
  • 操作系统内核
    • 时钟管理
      • 计时功能
    • 中断处理
      • 中断机制
    • 原语
      • 一种特殊的程序
      • 处于系统最底层、最接近硬件
      • 具有原子性，一次运行完成，不可中断
      • 运行时间短、调用频繁
    • 与硬件关联紧密
    • 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
  • 操作系统的体系结构
    • 大内核
      • 概念
        • 将主要功能都放在内核，运行在核心态
      • 优点
        • 高性能
      • 缺点
        • 内核代码多、结构混乱
    • 微内核
      • 概念
        • 只把最基本的功能保留在内核
      • 优点
        • 内核功能少，结构清晰
      • 缺点
        • 频繁在核心态和用户态之间切换、性能低
• 中断和异常
  • 中断机制的诞生
    • 为了实现多道程序
  • 中断的概念和作用
    • 发生中断，意味着需要操作系统开展管理工作，CPU会立即进入核心态
      • 为什么会进入核心态？因为管理工作(进程切换、分配I/O设备等)需使用特权指令
    • 中断是CPU从用户态进入核心态的唯一途径
  • 中断的分类
    • 内中断(也称异常、例外、陷入)
      • 信号来源：CPU外部与当前执行指令无关
      • 分类方式一
        • 自愿中断
          • 指令中断
            • 系统调用
        • 强迫中断
          • 硬件故障
            • 缺页
          • 软件中断
            • 整数除0
      • 分类方式二
        • 陷阱、陷入(trap)
          • 系统调用
        • 故障(fault)
          • 可以被修复的错误
        • 终止(abort)
          • 致命错误
    • 外中断
      • 信号来源：CPU内部与当前执行指令有关
      • 外设请求
        • 用户强行终止
      • 人工干预
        • I/O操作完成
  • 外中断的处理方式
    • 每条指令执行完，CPU检查外中断信号
    • 若有，则保护被中断进程的CPU环境(PSW、PC、通用寄存器等)
    • 转入发出中断的程序
    • 恢复原CPU环境并退出中断
• 系统调用
  • 在核心态运行，因为对资源和进程等控制需要执行特权指令
  • 概念
    • 操作系统提供给应用程序使用的接口
  • 作用
    • 应用程序通过系统调用来请求操作系统的服务
    • 会使处理器从用户态进入核心态
    • 保证系统的稳定性和安全性
      • 用户程序对共享资源操作必须通过系统调用，可以阻止用户的非法操作
  • 分类
    • 设备管理
      • 设备的请求、释放、启动
    • 文件管理
      • 文件的读、写、创建、删除
    • 进程控制
      • 进程的创建、撤销、阻塞、唤醒
    • 进程通信
      • 进程之间的消息传递、信号传递
    • 内存管理
      • 内存的分配、回收
  • 与库函数的区别
    • 系统调用是操作系统向上层提供的接口
    • 有的库函数是对系统调用的进一步封装
    • 大多程序是通过高级语言提供的库函数间接进行系统调用
  • 系统调用的过程
    • 传递系统调用参数
    • 执行陷入指令
      • 陷入指令是唯一一个只能在用户态，而不能在核心态运行的指令
      • 用户态
    • 执行系统调用相应服务程序
      • 核心态
    • 返回用户程序
• 计算机系统的层次结构
  • 用户
  • 应用程序
  • 非内核功能
  • 进程管理、存储器管理、设备管理等
  • 时钟管理、中断处理、原语(设备驱动、CPU切换等)
  • 内核
  • 操作系统
  • 裸机(纯硬件)