概述

计算机层次

定义

操作系统（Operating System，OS）是指控制和管理整个计算机系统的硬件和软件资源，并合理地组织和调度计算机的工作和资源的分配，以提供给用户和其他软件方便的接口和环境，它是计算机系统中最基本的系统软件。

功能和目标

作为系统资源的管理者

举例

分别对应了操作系统提供的功能

作为用户和计算机硬件之间的接口

• 命令接口:允许用户直接使用
• 程序接口:允许用户通过程序间接使用
• GUI:现代操作系统中最流行的图形用户接口

用户接口

包括联机命令接口和脱机命令接口

作为最接近硬件的层次

• 需要提供的功能和目标：实现对硬件机器的拓展。
• 没有任何软件支持的计算机成为裸机。在裸机上安装的操作系统，可以提供资源管理功能和方便用户的服务功能，将裸机改造成功能更强、使用更方便的机器。
• 通常把覆盖了软件的机器成为扩充机器，又称之为虚拟机。

操作系统的特征

并发和并行

并发:指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。这些事件宏观上是同时发生的，但微观上是交替发生的。
常考易混概念――并行:指两个或多个事件在同一时刻同时发生。

共享

共享即资源共享，是指系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程共同使用。

举例

共享和并发的关系

• 并发性指计算机系统中同时存在着多个运行着的程序。
• 共享性是指系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程共同使用。

虚拟

虚拟是指把一个物理上的实体变为若干个逻辑上的对应物。物理实体(前者）是实际存在的，而逻辑上对应物（后者)是用户感受到的。

空分复用技术

时分复用技术

异步

异步是指，在多道程序环境下，允许多个程序并发执行，但由于资源有限，进程的执行不是一贯到底的，而是走走停停，以不可预知的速度向前推进，这就是进程的异步性。

举例

显然，如果失去了并发性，则系统只能串行地处理各个进程，每个进程的执行会一贯到底。只有系统拥有并发性，才有可能导致异步性。

操作系统的发展与分类

手工操作阶段

单道批处理阶段

多道批处理系统

为什么多道批处理系统能够使资源利用率大幅提升？

举例：

若采用单道批处理，那么任务都是串行执行

若采用多道批处理，那么在其他部件空闲时可以开始处理其他进程

分时操作系统

实时操作系统

其他操作系统

OS运行机制和体系结构

运行机制

两种指令

“指令”就是处理器(CPU）能识别、执行的最基本命令。

两种处理器状态

两种程序

体系结构

内核

内核是计算机上配置的底层软件，是操作系统最基本、最核心的部分。实现操作系统内核功能的那些程序就是内核程序。

内核的层次图：

内核的结构图：

大内核和微内核

由于不同操作系统对内核的划分不同，所以分类大内核和微内核操作系统。

可以类比：

总结

中断和异常

概述

为了实现不同的线程直接进行切换，需要中断机制。

• 当中断发生时，CPU立即进入核心态。
• 当中断发生后，当前运行的进程暂停运行，并由操作系统内核对中断进行处理。
• 对于不同的中断信号，会进行不同的处理。

发生了中断，就意味着需要操作系统介入，开展管理工作。由于操作系统的管理工作（比如进程切换、分配I/O设备等）需要使用特权指令，因此CPU要从用户+态转为核心态。中断可以使CPU从用户态切换为核心态，使操作系统获得计算机的控制权。有了中断，才能实现多道程序并发执行。

遗留问题:用户态、核心态之间的切换是怎么实现的?

答:“用户态→核心态”是通过中断实现的。并且中断是唯一途径。“核心态→用户态”的切换是通过执行一个特权指令，将程序状态字(PSW)的标志位设置为“用户态”。

中断的分类

方式一：

方式二：

外中断的处理过程

总结

系统调用

概述

“系统调用”是操作系统提供给应用程序（程序员/编程人员）使用的接口，可以理解为一种可供应用程序调用的特殊函数，应用程序可以发出系统调用请求来获得操作系统的服务。

操作系统作为用户和计算机硬件之间的接口，需要向上提供一些简单易用的服务。主要包括命令接口和程序接口。其中，程序接口由一组系统调用组成。

系统调用的作用

应用程序通过系统调用请求操作系统的服务。系统中的各种共享资源都由操作系统统一掌管，因此在用户程序中，凡是与资源有关的操作（如存储分配、I/O操作、文件管理等），都必须通过系统调用的方式向操作系统提出服务请求，由操作系统代为完成。这样可以保证系统的稳定性和安全性，防止用户进行非法操作。

分类

应用程序和库函数的区别

系统调用过程

总结