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1、操作系统的概念及定义

1.1 操作系统的层次结构

从上至下，用户——应用程序——操作系统——裸机（纯硬件）。

操作系统OS(Operating System)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（从当前层次结构中间往两边看），提供用户和其他软件方便的接口和环境（当前层次结构从下往上看），同时它是计算机系统中最基本的系统软件（层次结构从上往下看）。

1.2 操作系统的功能和目标

1. 操作系统作为系统资源的管理者（包括软件、硬件、文件等），需要提供什么功能
2. 操作系统作为用户和计算机硬件之间的接口，要为其上层的用户、应用程序提供简单易用的服务
3. 操作系统作为最接近硬件的层次，需要在纯硬件的基础上实现什么功能

1.2.1、系统资源的管理者

1.2.2、作为用户与计算机硬件之间的接口

常考命令接口和程序接口，GUI了解即可

命令接口：

1. 联机命令接口（交互式命令接口）：

   类比cmd窗口，输入一句指令，计算机处理一句指令

2. 脱机命令接口（批处理命令接口）：

   类比C盘内*.bat文件

程序接口（系统调用）：

易混概念：系统调用 = 系统调用命令 = 广义指令

1.2.3、作为最接近硬件的层次

1.3 操作系统的四个特征

四大特征：并发、共享、虚拟、异步

1.3.1 并发

并发和并行的区分

• 并发
  • 之两个或多个事件在同一时间间隔内发生。这些事件在宏观上是同时发生的，但微观上是交替发生的
• 并行
  • 指两个或者多个事件在同一时刻同时发生

理解：

操作系统的并发性指的是计算机系统中同时存在着多个运行的程序

事实上，操作系统就是”伴随多道程序技术“而出现的，因此，操作系统和程序并发是一起诞生的

虽然当今计算机一般是多核CPU，但并发性依然必不可少

1.3.2 共享

共享即资源共享，是指系统中资源可供内存众多个并发执行的进程共同使用。

分为互斥共享和同步共享

所谓“同时”，往往是宏观上的，而在微观上，这些进程可能是交替地对该资源进行访问（即分时共享）

例子：

并发和共享地关系

两者互为存在条件

• 如果失去了并发性，共享性就失去了意义
• 如果失去共享性，并发性也无法实现

1.3.3 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。物理实体实际存在，而逻辑对应物使用户感受到的。

• 公分复用技术

  

• 时分复用技术（时间片）

  

并发性是虚拟性地前提

1.3.4 异步

异步是指多到程序环境下，允许多个程序并发执行，但资源有限，进程的执行不是一贯到底，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

1.4 操作系统的发展和分类

• 手工操作阶段

  • 用户独占全机，人机速度矛盾导致资源利用率极低

• 批处理阶段：脱机输入/输出技术 （用磁带完成） 监督程序负责控制作业的输入、输出

  • 单道批处理系统：

    

  • 多道批处理系统：

    

• 分时操作阶段

  • 

• 实时操作系统

  • 硬实时系统：必须在绝对严格地规定时间内完成处理
  • 软实时系统：能接受偶尔违反是时间规定

  

1.5 操作系统的运行机制和体系结构

1.5.1 运行机制

1. 两种指令：

   • 指令的概念：指令就是CPU能识别的最基本的命令

     一条高级语言（如C）翻译过来可能会对应多条指令

   • 特权指令

   • 非特权指令

   

2. 两种处理器状态

   CPU判断当前是否可以执行特权指令

   • 用户态（目态）

   • 核心态（管态）

     

3. 两种程序

   • 内核程序

   • 应用程序

     

1.5.2 操作系统内核

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。

1.5.3 操作系统体系结构

• 大内核

  

• 微内核

  

1.6 中断和异常

1.6.1 中断机制的诞生

早期计算机个程序只能串行执行，系统资源利用率低，为了解决该问题，人们发明了操作系统，引入了中断机制，实现了多道程序并发执行。

发生中断就意味着需要操作系统介入，开展管理工作

中断是CPU从用户态进入核心态的唯一途径

1.6.2 中断的分类

1.6.3 外中断的处理过程

1.7 系统调用

1.7.1 什么是系统调用、作用？

系统调用会使处理器从用户态进入核心态

操作系统，面向用户是命令接口，面向应用程序是程序接口（由一组系统调用组成）

概念：“系统调用”是操作系统提供给应用程序（程序员）使用的接口，可以理解为可供应用程序调用的一种特殊函数，应用程序可以发出系统调用请求来获得操作系统的服务。

系统调用的目的：

系统调用按功能分类

注意：系统调用相关处理涉及到对系统资源的管理、对进程的控制，这些功能需要执行一些特权指令才能完成，因此系统调用的相关处理需要在核心态下进行。

1.7.2 系统调用和库函数的区别

1.7.3 系统调用背后的过程

过程;

传递系统调用参数 -> 执行陷入指令（用户态）-> 执行系统调用相应服务程序（核心态）-> 返回用户程序

注意点：

1. 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，从而CPU进入核心态
2. 发出系统调用请求是在用户态，而对系统调用的相应处理是在核心态下进行
3. 陷入指令是唯一一个只能在用户态执行，而不能在核心态执行的指令