1.1 操作系统的基本概念

1.1.1 操作系统的概念

  1. 计算机由上到下的四部分：硬件，操作系统，软件，用户
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  2. 操作系统（Operating System，OS）是指：
    1. 控制和管理整个计算机系统的硬件和软件资源，并合理地组织调度计算机的工作和资源的分配
    2. 提供给用户和其他软件方便的接口和环境
    3. 计算机系统中最基本的系统软件

1.1.2 操作系统的特征

  1. 并发：两个或者多个事件在同一时间间隔内发生
    1. 操作系统的并发是通过分时实现的；使得系统具有处理和调度多个程序同时执行的能力
    2. 并行是指多个操作同时发生，需要硬件支持
  2. 共享
    1. 互斥共享方式：例如打印机、磁带，虽然可供多个进程使用，但在一段时间内只允许一个进程访问该资源；这种资源称作临界资源或者独占资源；计算机中的大多数物理设备都是临界资源
    2. 同时访问方式：例如磁盘，一段时间内允许多个进程“同时”访问该资源；这里的同时是宏观的概念，在微观上实际是交替的分时访问
  3. 虚拟
    1. 一个物理上的实体变为若干逻辑上的对应物，这种技术也被称为虚拟技术
    2. 虚拟处理器：采用多道程序并发的方式，让每个终端用户感觉到有多个处理器（时分复用技术）
    3. 虚拟存储器：将物理存储变为虚拟存储器，逻辑上扩充存储器（空分复用技术）
    4. 将一台IO设备虚拟为多台逻辑上的IO设备，并允许每个用户占用一台逻辑上的IO设备
  4. 异步
    1. 多道程序走走停停，进程以不可预知的速度向前进
      • 并发和共享的关系
        • 操作系统的并发指同时运行多个程序
        • 操作系统的共享指资源可供多个并发的程序共同使用
        • 因此, 共享是并发的前提 ; 并发是共享的存在原因
      • 并发和虚拟的关系
        • 虚拟性的应用是为解决用户对硬件资源的独占, 即用虚拟设备为用户提供独占资源的假象
        • 失去了并发性，则一个时间段内系统中只需运行一道程序，那么就失去了实现虚拟性的意义
      • 并发与异步的关系
        • 并发的条件之下才会有异步的发生
      • 因此, 并发与共享是最基本的特征

1.1.3 操作系统的目标和功能

  1. 系统资源的管理者
    1. 处理机管理: 即进程管理
    2. 存储器管理: 即内存管理
    3. 文件管理: 计算机中的信息均以文件形式存在,文件系统的管理是操作系统的功能
    4. 设备管理: 完成I/O设备的请求, 方便使用, 提高设备利用率
  2. 为用户和计算机硬件之间提供接口
    1. 命令接口: 通过操作命令行来控制作业的执行
      1. 联机命令接口: 交互式命令,说一句答一句
      2. 脱机命令接口: 批处理命令,说一堆做一堆
    2. 程序接口: 请求操作系统的打包服务
      1. 程序接口由一组系统调用(广义指令)组成,用户在程序中使用这些系统调用来请求操作系统为其提供服务
      2. 图形用户界面(GUI), 调用命令属于操作系统的一部分
  3. 操作系统用以扩充机器
    1. 将覆盖了软件的机器称为扩充机器或虚拟机

      库函数和系统调用的区别与联系

      • 需要向操作系统请求服务, 只能通过系统调用的方式
      • 库函数是编程过程中使用的封装手段,以使编程方便直观
      • 应用程序实现功能时,既可以通过库函数,也可以通过系统调用
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1.2 操作系统的发展与分类

1.2.1 手工操作阶段 (无操作系统)

  1. 所有工作都需要人工干预,当计算机的计算速度越来越快时,人机矛盾也越来越大

  2. 缺点: 一个用户独占全机, 资源利用率低 ; CPU等待时间长, CPU利用不充分

    1.2.2 批处理阶段 (操作系统出现)

  3. 单道批处理系统

    1. 系统成批的处理作业, 内存中只有一个程序
    2. 自动地, 顺序地, 单道地完成一个作业 ; 当出现I/O请求时,CPU等待I/O设备完成操作后再运行

  4. 多道批处理系统

    1. 允许多个程序同时进入内存并在CPU上交替的运行它们
    2. 宏观上并行,微观上串行: 用户感知上认为多进程都在同时运行,但实际上只是不同的进程在轮流占用CPU,交替完成各自的任务
    3. 作业调度程序自动完成作业的选择安排,让计算机中的各部分都忙起来 ; 但缺点也很明显, 如不提供人机交互能力,响应时间长,作业提交后自动运行,用户不能控制计算机的运行

      1.2.3 分时操作系统

  5. 计算机以时间片为单位轮流为各个用户/作业服务，各个用户可通过终端与计算机进行交互

  6. 用户请求可以被即时响应, 实现了人机交互问题, 时间片很短时, 用户感觉自己在独占资源

  7. 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

    1.2.4 实时操作系统

  8. 为解决紧急任务而不需要时间片排队

    1. 硬实时系统: 绝对要在规定时间完成
    2. 软实时系统: 可以偶尔违反规定

      1.2.5 网络操作系统和分布式计算机系统

  • 网络操作系统：是伴随着计算机网络的发展而诞生的，能把网络中各个计算机有机地结合起来，实现数据传送等功能，实现网络中各种资源的共享（如文件共享）和各台计算机之间的通信。（如：Windows NT 就是一种典型的网络操作系统，网站服务器就可以使用）

  • 分布式操作系统：主要特点是分布性和并行性。系统中的各台计算机地位相同，任何工作都可以分布在这些计算机上，由它们并行、协同完成这个任务

    1.2.6 个人计算机系统

  • 个人计算机操作系统：如Windows XP、MacOS，方便个人使用

1.3 操作系统的运行

1.3.1 运行机制

  1. CPU中的程序有两种, 一种是操作系统的内核程序，运行在核心态；一种是用户的自编程序，运行在用户态

  2. 操作系统的内核功能与硬件的关联会很高，一般有：

    1. 支撑功能：计算机功能的实现基础
      1. 时钟管理：时钟是最关键的设备；时钟中断才能实现进程的切换，还有时间片的轮转调度等等
      2. 中断处理：多道程序的并发需要中断，其他设备的请求处理需要中断，现代操作系统是靠中断驱动的软件
      3. 原语操作：这些操作在计算机操作的最底层最接近硬件的部分，只能一气呵成而不能被中断，运行时间短且调用频繁；原语操作是内核的组成部分
    2. 资源管理功能：一些计算机可能不将此作为内核功能
      1. 进程管理
      2. 存储器管理
      3. 设备管理

        1.3.2 中断和异常的概念

  3. 系统区分核心态和用户态以保护系统程序，用户态下不能使用特权指令，当用户态的程序请求进入核心态时，就需要发出访管指令，进入中断状态，实现状态的切换

  4. 中断时需要保存的数据，程序计数器PC，以及程序状态字PSW由硬件专门保存；而通用寄存器和其他需要保存的内容由操作系统负责

  5. 外中断的响应发生在指令执行完成后，而异常的响应发生在指令的执行过程中；一旦发生异常，CPU内部自动检测，并立即停止执行当前指令

    1.3.3 系统调用

  6. 为保证系统的安全才区分核心态和系统调用，所以，也有不需要调用且权限很大的操作系统

  7. 因为系统中的资源由操作系统统一管理，因此凡是与资源有关的操作都必须向操作系统发出服务请求，让操作系统代为完成

  8. 进入核心态才能实现系统调用，即在用户态下发出陷入指令（访管指令，trap指令）实现状态的转换，过程由硬件完成

    1.4 操作系统的体系结构

  9. 大内核

    1. 主要功能模块作为一个整体运行在核心态，性能更高；但是计算机规模越来愈大时，将难以定义清晰的关系或界限
  10. 微内核
    1. 内核只保留最基本的功能，而将其他操作放到用户态中，降低了内核的维护难度，接口更清晰，各部分独立的发展演化，保证了操作系统的可靠性，但是因为需要频繁切换状态会让性能变低