一、操作系统的概念

1、定义

操作系统是指^①控制和管理整个计算机系统的硬件与软件资源，合理地组织、调度计算机的工作与资源的分配，进而为^②用户和其他软件提供方便接口与环境的程序集合。^③操作系统是计算机中最基本的系统软件。

2、功能和目标

①作为系统资源的管理者

提供的功能：处理机管理，存储器管理，文件管理，设备管理

目标：安全高效

②作为用户和计算机硬件之间的接口

提供的功能：命令接口（联机命令接口/脱机命令接口），程序接口，GUI

目标：方便用户使用

命令接口（用户直接使用

• 联机命令接口是 用户说一句，系统做一句 （交互式
• 脱机命令接口是 用户说一堆，系统做一堆

程序接口 = 系统调用 ：由一组系统调用组成（用户只能通过程序间接使用

程序接口 = 系统调用 = 系统调用命令 = 广义指令

GUI：图形用户界面W

③作为最接近硬件的层次

目标：实现对硬件机器的扩展

二 、操作系统特征

操作系统四大特征：并发性、共享性、虚拟性和异步性

1、并发性

并发，指两个或多个事情在同一时间间隔内发生。这些事情宏观上是同时发生的，但微观上是交替发生的。

操作系统的并发性 是指计算机系统中同时存在着多个运行着的程序。

2、共享性

共享，即资源共享，是指系统中的资源可供多个并发执行的进程共同使用。

操作系统的共享性 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。

共享方式有两种，互斥共享方式和同时共享方式。

• 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。（示例：qq和微信视频，同一时间段只能分配给其中的一个进程）
• 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。（示例：qq发送A文件，微信发送B文件。两个进程交替着访问硬盘，宏观上，两个都在同时读取并发送文件）

如果失去并发性，则系统中只有一个程序正在运行，则共享性失去存在的意义

如果失去共享性，则QQ和微信不能同时访问硬盘资源，就无法实现同时发送文件，也就无法并发

3、虚拟性

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。物理实体是实际存在的，而逻辑上的对应物是用户感受到的。

虚拟技术，有空分复用技术（如虚拟存储器技术）和时分复用技术（如虚拟处理器）

如果失去了并发性，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。因此，没有并发性，就谈不上虚拟性。

4、异步性

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，这就是程序的异步性。

只有系统拥有并发性，才有可能导致异步性

三、操作系统的发展

操作系统的发展进程的顺序为，手工操作系统-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

其他操作系统有网络操作系统，分布式操作系统和个人计算机操作系统。

1、手工操作阶段

输入/输出速度慢，处理速度快

**缺点：**用户独占全机、人机速度矛盾导致资源利用率极低。

2、批处理阶段——单道批处理系统

引入脱机输入/输出技术(用磁带完成)，并监督程序负责控制作业的输入、输出

**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。

**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。

2、批处理阶段——多道批处理系统

每次往内存中输入多道程序。

操作系统正式诞生，并引入了中断技术，由操作系统负责管理这些程序的运行。各个程序并发执行

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和其他资源保持”忙碌“状态，系统吞吐量增大。

缺点：用户响应时间长，没有人机交互功能。

单道和多道的区别

单道

多道

3、实时操作系统

在实时操作系统的控制下，计算机系统接受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。

实时操作系统，有硬实时系统和软实时系统。

• 硬实时系统：必须在绝对严格的规定时间内完成处理。(如：导弹控制系统、自动驾驶系统)
• 软实时系统：能接受偶尔违反事件规定。（如：12306火车订票系统)

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。

四、运行机制和体系结构

1、运行机制

运行机制，包括两种指令、两种处理器状态和两种程序。它们有密不可分的关系。

①指令

有特权指令和非特权指令。特权指令不允许用户程序使用。

②处理器状态

有用户态和核心态。

• 用户态下的CPU只能执行非特权指令
• 核心态下的CPU特权指令、非特权指令都可以执行。

用程序状态字寄存器（PSW）中某标志位来标识当前处理器处于什么状态。如：0为用户态，1为核心态。

③程序

有内核程序和应用程序。

• 内核程序，是系统的管理者，即可以执行特权指令，也可以执行非特权指令。运行在核心态。
• 应用程序，只能执行非特权指令，运行在用户态。

2、体系结构

①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。

内核中的功能，有时钟管理、中断管理、原语等功能。

• 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，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。 处于操作系统最底层，是最接近硬件的部分。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，存储器管理和设备管理。

②大内核和微内核

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，那以维护。

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。

五、中断和异常

1、概念和作用

中断，可以使CPU从用户态转换为核心态，使操作系统获得计算机的控制权。

有了中断，才能实现多道程序并发执行。

过程

1. 当中断发生时，CPU立即进入核心态
2. 当中断发生后，当前运行的进程暂停运行，并由操作系统内核对中断进行处理
3. 对于不同的中断信号，会进行不同的处理。

用户态、核心态之间的切换是怎么实现的?

“用户态->核心态” 是通过 中断 实现的。并且中断是唯一途径。

”核心态->用户态“ 的切换是通过执行一个特权指令，将程序状态字(PSW) 的标志位设置为“用户态”

2、分类

一种分类，中断分为内中断和外中断。

• 内中断，也称异常、例外、陷入，又分为
  • 自愿中断——指令中断（系统调用时使用的访管指令）
  • 强迫中断——硬件故障（缺页）与软件中断（整数除0）
  • 来源于CPU内部。
• 外中断，又分为
  • 外设中断（I/O操作完成发出的中断信号）
  • 人工中断（用户强行终止一个进程）
  • 信号来源为CPU外部。

本质区别来源于CPU内部还是外部

另一种分类方式

• 内中断（内部异常）
  • 陷阱、陷入（trap） 系统调用
  • 故障 （fault） 由错误条件引起的，如缺页
  • 终止 （abort）不可恢复的致命错误这咋总成的结果，终止处理程序不再将控制返回引发的应用程序，如整数除0
• 外中断
  • I/O中断请求
  • 人工中断

3、外中断处理过程

六、系统调用

1、概念和作用

系统调用，是操作系统提供给应用程序（程序员/编程人员）使用的接口，可以理解为一种可供应用程序调用的特殊函数，应用程序可以发出系统调用请求来获得操作系统的服务。

应用程序通过系统调用请求操作系统的服务。系统中的各种共享资源都由操作系统统一掌管，因此用户程序中，凡是与资源有关的操作（如存储分配、I/O操作，文件管理等），都必须通过系统调用的方式向操作系统提出服务请求，由操作系统代为完成。这样可以保证系统的稳定性和安全性。

2、功能分类

系统调用，有设备管理、文件管理、进程控制、进程通信和内存管理的功能。

• 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

3、系统调用背后的过程

系统调用的相关处理在核心态进行

问题与思考

系统调用不涉及用户态吗

用户态通过系统调用进入核心态。

中断和系统调用的关系

• 通过中断，操作系统从 用户态 转换成 核心态
• 系统调用时使用的访管指令（又称为自陷、陷入、trap指令）是一种内中断方式
• 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