操作系统

一、计算机系统概述

1、操作系统的基本概念

概念 ：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，合理的组织、调度计算机的工作和资源的分配，进而为用户和其他软件提供方便接口系统环境的程序集合。操作系统是计算机系统中最基本的系统软件

特征

  • 并发（Concurrence）：宏观上多道程序同时执行，微观上程序是分时交替执行的
  • 共享（Sharing）：资源共享即共享，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，有两种方式
    • 互斥共享方式
    • 同时访问方式（宏观上）
  • 虚拟（Virtual）：指把一个物理上的实体变为若干逻辑上的对应物 ->虚拟技术、虚拟处理器、虚拟存储器
    • 时分复用技术 - >处理器的分时共享
    • 空分复用技术 - >虚拟存储器
  • 异步（Asynchronism）：多道环境允许多个程序并发执行，但进程的执行以不可预知的速度向前推进，使得操作系统运行在一种随机的环境下

目标和功能

  • 操作系统作为计算机系统资源的管理者（上层）
    • 处理机管理：进程管理、进程同步、进程通信、死锁处理、处理机调度等
    • 存储器管理：内存分配、地址映射、内存保护和共享和内存扩充等
    • 文件管理：文件存储空间管理、目录管理、文件读写管理等
    • 设备管理：缓存管理、设置分配、设备处理和虚拟设备等
  • 操作系统作为用户与计算机硬件系统之间的接口（中间层）
    • 命令接口：用户利用这些命令命令来组织和控制作业的执行
      • 联机命令接口（交互式命令接口）：单命令执行，交互性强
      • 脱机命令接口（批处理命令接口）：根据一组作业控制命令执行，无法干预
    • 程序接口：编程人员可以使用它们来请求操作系统服务
      • 由一组系统调用（广义指令）组成，间接使用系统调用
  • 操作系统实现了对计算机资源的扩充
    • 裸机：没有任何软件支持的计算机成为
    • 扩充机器（虚拟机）：覆盖了软件的计算机

2、操作系统发展历程

  • 手工操作阶段（无操作系统）：所有工作人工干预

    • 缺点：①用户独占全机，资源利用率低。②CPU等待手工操作，CPU利用不充分

  • 批处理阶段（操作系统开始出现）：为了解决人机矛盾及CPU和I/O设备之间的速度不匹配

    • 单道批处理系统：系统对作业的处理是成批进行的，但内存始终保存一道作业
      • 自动性：作业逐个运行，无须人工干预
      • 顺序性：
      • 单道性：内存中仅有一道程序
    • 多道批处理系统：运行多个程序同时进入内存和请求CPU，特点是多道、宏观上并行、微观上串行
      • 优点：资源利用率高、系统吞吐量达，CPU保持“忙碌”状态
      • 缺点：用户响应时间长、不提供交互能力

  • 分时操作系统：指把处理器的运行时间分成很短的时间片，轮流交给处理器分配联机作业使用

    • 同时性
    • 交互性
    • 独立性
    • 及时性

  • 实时操作系统：为了在某个时间限制内完成某些紧急任务而不需要时间片排队

    • 硬实时系统：某个动作必须绝对地在规定的时刻完成
    • 软实时系统：在硬实时系统基础上，能接受偶尔违反规定

  • 网络操作系统和分布式计算机系统

  • 个人计算机操作系统

3、操作系统运行j机制和体系结构

  • 运行机制
    • 两种指令
      • 特权指令：不允许用户直接使用的指令
      • 非特权指令：允许用户直接使用的指令
    • 两种处理器状态
      • 核心态
      • 用户态
    • 两种程序
      • 内核程序
      • 应用程序
  • 操作系统内核
    • 时钟管理
    • 中断管理
      • 中断机制的诞生：为了实现多道程序并发执行而引入的一种技术
      • 中断的概念和作用
        • 发送中断，就意味着需要操作系统接入开展管理工作，CPU会立即进入核心态
        • “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）
          • 自愿中断——指令中断
          • 强迫中断——硬件故障、软件中断
        • 外中断
          • 外设请求
          • 人工干预
      • 补充：内中断的另一种分类方式
        • 陷阱、陷入（trap）
        • 故障（fault）
        • 终止（abort）
      • 外中断的处理过程
        • 每条指令执行结束后，CPU检查是否有外部中断信号
        • 若有外部中断信号，则需要保护被中断进程的CPU环境
        • 根据中断信号类型转入相应的中断处理程序
        • 恢复原进程CPU环境并推出中断，返回原进程继续往下执行
    • 原语：一种特殊的程序，其执行具有原子性
    • 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
      • 优点：高性能
      • 缺点：内核代码庞大，结构混乱，难以维护
    • 微内核
      • 优点：内核功能少，结构清晰，方便维护
      • 缺点：需要频繁地在核心态和用户态之间切换，性能低

二、进程与线程

1、进程与线程

  • 定义：进程是进程实体（进程映像）的运行过程，是系统进行资源分配和调度的一个独立单位
  • 组成
    • PCB（Process Control Block）
      • 进程描述信息
      • 进行控制和管理信息
      • 资源分配清单
      • 处理机相关信息
    • 程序段：存放要执行的程序代码
    • 数据段：存放程序运行过程中处理的各种数据
  • 组织方式
    • 链接方式：按进程状态将PCB分为多个队列
    • 索引方式：按照进程状态建立多张索引表，各表项指向一个PCB
  • 特征
    • 动态性：进程的最基本特征
    • 并发性
    • 独立性：进程是系统进行资源分配、调度的独立单位
    • 异步性：各进程以不可预知的速度向前推进，可能导致运行结果的不确定性
    • 结构性

2、处理机调度

3、同步与互斥

4、死锁

三、内存管理

四、文件管理

五、输入/输出（IO)管理