操作系统概述
2021-05-07 07:11:21 11 举报AI智能生成
操作系统概述脑图
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大纲/内容
操作系统
概念（定义）
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
系统资源的管理者
处理机管理
进程控制、进程同步、进程通信、调度
存储器管理
内存分配和回收、内存保护、地址映射、内存扩充
文件管理
文件存储空间的管理、目录管理、文件的读/写管理和保护
设备管理
缓冲管理、设备分配、设备处理
向上层提供服务
给普通用户用的
GUI图形界面
命令接口
联机命令接口（交互式命令接口）：适用于分时或实时系统的接口
脱机命令接口（批处理命令接口）：适用于批处理系统
区别在于说一句做一句还是说一堆做一堆
给软件/程序员用的
程序接口
即系统调用，是用户程序取得操作系统服务的唯一途径。
实现对计算机资源的抽象（对硬件机器的扩展）
扩充机器
目标
方便性
有效性
提高系统资源的利用率
提高系统吞吐量
系统吞吐量：指系统在单位时间内所处理的信息量，它以每小时或每天所处理的进程数来度量。
可扩充性
开放性
设计OS最重要的两个目标
操作系统的特征
并发
宏观上同时发生，微观上交替发生
共享
互斥共享方式
系统中的某些资源，一个时间段内只允许一个进程访问该资源
同时访问方式
系统中的某些资源，一，允许一个时间段内由多个进程“同时”访问。
虚拟
虚拟技术
时分复用技术（如虚拟处理器）
空分复用技术（如虚拟存储器技术）
异步
资源有限，进程总是走走停停，以人们不可预知的速度向前推进的，这就是进程的异步性
两个最基本的特征，二者互为存在条件
OS的发展与分类
手工操作阶段
特点：1）用户独占全机 2）CPU等待人工操作
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：缓解人机速度矛盾
缺：资源利用率依然很低
特点：自动性、顺序性、单道性
多道批处理系统（操作系统开始出现）
优:多道程序并发执行，资源利用率高，系统吞吐量大
缺：平均周转时间长，无交互能力。
分时操作系统
优：提供人机交互
缺：不能优先处理紧急任务
特点：多路性（同时性）、独立性、交互性、及时性。
实时操作系统
硬实时系统
必须绝对地在规定的时间内完成处理
软实时系统
能接受偶尔违反时间规定
优：能优先处理紧急任务
网络操作系统
特点：网络中各种资源的共享及各台计算机之间的通信。
分布式操作系统
特点：分布性和并行性
个人计算机操作系统
运行环境
运行机制
两类程序
内核程序
应用程序
两类指令
特权指令
非特权指令
两种处理器状态
内核态/核心态/管态
用户态/目态
内核（整个系统的管理者）
构成
时钟管理
实现计时功能
中断处理
负责实现中断机制
原语
是一种特殊的程序
处于操作系统最底层，是最接近硬件的部分
这种程序的运行具有原子性--其运行只能一气呵成，不可中断
运行时间较短，调用频繁
对系统资源进行管理的功能
进程管理
与硬件关联较紧密的模块
系统控制的数据结构及处理，不会直接涉及硬件
概念
内核（Kernel）是操作系统最重要最核心的部分，也是最接近硬件的部分
由很多内核程序组成操作系统内核
如何变态？
内核态->用户态
一条修改PSW的特权指令
用户态->内核态
由中断引起，硬件自动完成
中断和异常
中断作用
让操作系统强行夺回CPU控制权
使CPU从用户态变为内核态
中断的分类
内中断（也称异常、例外或陷入）
陷阱、陷入（trap）
由陷入指令引发，是应用程序故意引起的
故障（fault）
由错误条件引起的，可能被内核程序修复的。内核程序修复故障后会把CPU使用权还给应用程序。如缺页故障
终止（abort）
由致命错误引起的，内核程序无法修复该错误，直接终止该应用程序。如：整数除0，非法使用特权指令
与当前执行的指令有关，中断信号来源于CPU内部
外中断（也称中断）
时钟中断
I/O中断请求
与当前执行的指令无关，中断信号来源于CPU外部
中断机制实现的基本原理
检查中断信号
内中断：CPU在执行指令时会检查是否有异常发生
外中断：每个指令周期末尾，CPU都会检查是否有外中断信号需要处理
找到相应的中断处理程序
通过“中断向量表”实现
系统调用
什么是系统调用？
操作系统对应用程序/程序员提供的接口
系统调用与库函数的区别
有的库函数是对系统调用的进一步封装
有的库函数没有使用系统调用
什么功能要用系统调用实现？
进程控制
进程通信
内存管理
系统调用的过程
传参
陷入指令/Trap/访管
由操作系统内核程序处理系统调用请求
返回应用程序
凡是共享资源有关的操作，会直接影响到其他进行的操作，就一定需要操作系统的介入，就需要系统调用来实现。
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：需要频繁的在核心态和用户态之间切换，性能低
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