操作系统(一)计算机系统概述
- 一、操作系统的概念
- 二、功能和目标
- 资源的管理者
- 向上层提供服务
- 对硬件的扩展
- 三、操作系统的特征
- 并发
- 共享
- 虚拟
- 异步
- 四、操作系统的发展与分类
- 手工操作阶段
- 批处理阶段
- 单道批处理系统
- 多道批处理系统
- 分时操作系统
- 实时操作系统
- 操作系统的运行机制
- 中断和异常
- 中断类型
- 中断机制的基本原理
- 系统调用
- 分类
- 系统调用的过程
- 操作系统的体系结构
- 大内核
- 微内核
一、操作系统的概念
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,并合理地组织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
二、功能和目标
资源的管理者
功能:
- 处理机的管理
- 存储器的管理
- 文件管理
- 设备管理
向上层提供服务
直接给用户使用包括GUI(图形用户界面) 和命令接口。
命令接口包括联机命令接口和脱机命令接口
联机命令接口相当于windows系统使用的cmd
脱机命令接口就是.bat文件
向程序提供的程序接口:可以在程序中进行系统调用来使用程序接口。普通用户不能直接使用程序接口,只能通过程序代码间接使用。
对硬件的扩展
操作系统对硬件机器的拓展:将CPU、内存、磁盘、显示器、键盘等硬件合理地组织起来,让各种硬件能够相互协调配合,实现更多更复杂的功能,普通用户无需关心这些硬件在底层是怎么组织起来工作的,只需直接使用操作系统提供的接口即可。
三、操作系统的特征
并发
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。
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。
互斥共享方式:系统中的某些资源,虽然可以提供给多个进程使用,但一个时间段内只允
许一个进程访问该资源
同时共享方式:系统中的某些资源,允许一个时间段内由多个进程“同时”对它们进行访
问
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。
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
四、操作系统的发展与分类
手工操作阶段
用户在计算机上算题的所有工作都要人工干预
批处理阶段
单道批处理系统
引入脱机输入/输出技术(用外围机+磁带完成),并由监督程序负责控制作业的输入、输出
主要优点:缓解了一定程度的人机速度矛盾,资源利用率有所提升。
主要缺点:内存中仅能有一道程序运行,只有该程序运行结束之后才能调入下一道程序。CPU有大量的时间是在空闲等待I/O完成。资源利用率依然很低。
多道批处理系统
主要优点:多道程序并发执行,共享计算机资源。资源利用率大幅提升,CPU和其他资
源更能保持“忙碌”状态,系统吞吐量增大。
主要缺点:用户响应时间长,没有人机交互功能(用户提交自己的作业之后就只能等待
计算机处理完成,中间不能控制自己的作业执行。eg:无法调试程序/无法在程序运行过
程中输入一些参数)
分时操作系统
分时操作系统: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。
主要优点:用户请求可以被即时响应,解决了人机交互问题。允许多个用户同时使用一台计算机,并且用户对计算机的操作相互独立,感受不到别人的存在。
主要缺点: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。
实时操作系统
主要优点:能够优先响应一些紧急任务,某些紧急任务不需时间片排队。
在实时操作系统的控制下,计算机系统接收到外部信号后及时进行处理,并且要在严格的时限内处理完事件。实时操作系统的主要特点是及时性和可靠性
操作系统的运行机制
特权指令:如内存清零指令
非特权指令:如普通的运算指令
用户态:cpu只能执行非特权指令
核心态:特权指令、非特权指令都可执行
内核程序: 操作系统的内核程序是系统的管理者,既可以执行特权指令,也可以执行非特
权指令,运行在核心态。
应用程序: 为了保证系统能安全运行,普通应用程序只能执行非特权指令,运行在用户态
中断和异常
中断的作用:“中断”会使CPU由用户态变为内核态,使操作系统重新夺回对CPU
的控制权
内核态->用户态:执行一条特权指令——修改PSW的标志位为“用户态”,这个动作意味着操作系统将主动让出CPU使用权
用户态->内核态:由“中断”引发,硬件自动完成变态过程,触发中断信号意味着操作系统将强行夺回CPU的使用权
中断类型
内中断:与当前执行的指令有关,中断信号来源于CPU内部
外中断:与当前执行的指令无关,中断信号来源于CPU外部
中断机制的基本原理
不同的中断信号,需要用不同的中断处理程序来处理。当CPU检测到中断信号后,会根据中断信号的类型去查询“中断向量表”,以此来找到相应的中断处理程序在内存中的存放位置。
系统调用
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。
分类
- 设备管理:完成设备的请求/释放/启动等功能
- 文件管理:完成文件的读/写/创建/删除等功能.
- 进程控制:完成进程的创建/撤销/阻塞/唤醒等功能
- 进程通信:完成进程之间的消息传递/信号传递等功能.
- 内存管理:完成内存的分配/回收等功能
系统调用的过程
- 陷入指令是在用户态执行的,执行陷入指令之后立即引发一个内中断,使CPU进入核心态
- 发出系统调用请求是在用户态,而对系统调用的相应处理在核心态下进行
操作系统的体系结构
大内核
将操作系统的主要功能模块都作为系统内核,运行在核心态
优点:高性能
缺点:内核代码庞大,结构混乱,难以维护
微内核
只把最基本的功能保留在内核
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