第1章 OS概述

第1节 OS基本概念

操作系统定义：控制管理计算机硬件、软件资源，合理组织调度计算机的工作和资源的分配，向用户和其他应用提供方便使用的接口和环境，是计算机系统中最基本的系统软件

操作系统功能和目标：

• 资源管理者：处理器管理（CPU管理，合理调度进程、线程）、存储器管理（内存管理）、文件管理（文件系统、磁盘管理）、其他设备管理（通过IO管理其他设备）
• 作为用户和计算机硬件直接的接口
  • 命令接口
    • 联机命令（交互式）
    • 脱机命令（批处理）
  • 程序接口：一组系统调用，供程序使用
  • GUI：图形化界面
• 扩充机器：覆盖了软件的机器称为扩充机器或虚拟机

操作系统的特征：

• 并发：多个事件在一段时间间隔内发生（并行，指多个事件在同一时刻发生）
• 共享：即资源共享，系统资源供多个并发进程同时使用
  • 互斥共享：一段时间内，只允许一个进程访问资源
  • 同时访问：微观上可能是多个进程交替使用资源，也可能是确实是同时访问资源
• 虚拟：没有并发，就不需要时分复用，因此也就没有虚拟特征
  • 时分复用：虚拟处理器技术，通过使用多道程序设计技术，让用户感觉每个程序都在独占处理器
  • 空分复用：虚拟存储器技术，从逻辑上扩充内存，例如 60G 的游戏运行在 4G 内存的电脑上
• 异步：多个程序并发执行，由于资源有限，程序执行不是一贯到底，而是走走停停，以不可预知的速度推进。没有并发，显然也没有异步。

并发和共享互为依存条件：没有并发，就不需要资源共享；如果系统不能很好的资源共享，就可能导致无法并发。并发和共享是操作系统的基本特征。

做题补充：

• 广义指令：系统调用
• 单道批处理系统，程序顺序执行；多道批处理系统，程序并发执行。
  • 顺序执行：顺序性、封闭性、可再现性
    • 顺序性：严格按照程序指令顺序执行
    • 封闭性：程序在封闭的环境下运行，独占全机资源，资源状态只有其可以改变
    • 可再现性：同一个环境下，可以得到相同的执行结果
  • 并发执行：断续性（间断性，资源共享，受到其他程序的制约）、失去封闭性（环境可以被其他程序修改）、不可再现性
• 库函数，用来为程序提供编写好的功能，方便使用；系统调用，用来向系统请求服务。库函数可能会使用系统调用，使用系统调用会陷入内核，需要保存现场，导致程序执行变慢，当库函数不适用系统调用时，程序完全在用户空间执行，速度更快。

第2节 OS发展与分类

手工操作阶段：

• 用户独占全机，资源利用率低
• 人工操作慢和处理器处理速度快，速度矛盾，导致资源利用率低

批处理阶段：

单道批处理系统，引入脱机输入输出到高速的磁带，用监督程序（OS雏形）控制作业输入输出处理器。自动（一批程序正常情况可以自动执行）、顺序（按进入内存顺序执行）、单道（同一时刻内存只有一个程序）。

• 优点：引入了高速磁带，一定程度缓解了人机速度差异
• 缺点：内存中只能有一个程序执行，执行完一个，才能输入下一个，处理器仍然需要等待 IO 时间
  
  多道批处理系统：操作系统正式诞生，引入了中断，OS 负责管理程序执行。多道（内存中有多个程序）、宏观并行、微观串行。
  
• 优点：多道程序并发执行，共享资源，资源利用率大幅提升，系统吞吐量增大
• 缺点：没有人机交互功能，必须等到程序运行结束或者异常终止，用户响应时间长

分时操作系统：同时（多路，允许多个用户同时使用）、交互（人机交互）、独立（每个用户互不干扰，看不到别人）、及时（用户请求能在短时间内得到响应）

• 优点：解决了人机交互
• 缺点：不能处理紧急任务，完全公平，不区分任务优先级

实时操作系统：主要特点，及时、可靠。分为硬实时（严格遵守时限不能违反）、软实时（能够接受偶尔违反）

• 优点：能够响应紧急任务

网络操作系统：实现网络中资源共享和各台计算机之间通信
分布式操作系统：分布性和并行性，若干计算机并行、协同完成任务。
个人操作系统、嵌入式系统、服务器系统、手机系统等。

做题补充：

• 甘特图：横轴时间，纵轴程序，多种线段区分不同资源即可
• CPU 利用率：CPU运行时间除以总时间

第3节 OS运行机制和体系结构

指令：不是代码，而是一个 CPU 可以执行的具体操作，是二进制的机器语言。

• 特权指令：不允许用户执行直接使用的指令
• 非特权指令

CPU状态：使用程序状态字寄存器（PSW）的某一位表示当前处理器处于什么状态。

• 用户态（目态）
• 核心态（管态）

两种程序

• 内核程序：处于核心态，可以执行特权指令和非特权指令
• 应用程序：用户态，只可以执行非特权指令

计算机层次结构：

内核包括：

• 距离硬件最近的：时钟管理、中断处理、原语。
• 系统资源管理：进程管理、存储器管理、设备管理等

1.3.1 操作系统的运行机制

1. 时钟管理

• 时钟的第一功能是计时，向用户提供标准的系统时间。
• 通过时钟中断，实现进程的切换。常用在一些和时间相关的调度中（分片、实时调度）

2. 中断机制

中断的初衷：提高多道程序运行环境中的 CPU 利用率，主要针对外设。
中断机制中只有一小部分属于内核（这部分负责保护现场，转移控制权到中断处理程序以及恢复现场）

3. 原语

原语特点：

1. 处于操作系统最低层，是最近接硬件的部分
2. 具有原子性，操作一气呵成，不可中断
3. 运行时间一般较短，且被频繁调用

定义原语：通过关中断实现。

4. 系统资源管理或系统控制的数据结构及处理

1. 进程管理：进程状态管理，进程调度和分派、创建、销毁进程控制块（PCB）
2. 存储器管理：分配回收、代码对换等
3. 设备管理：缓存区管理，设备分配与回收

1.3.2 中断和异常

中断：

• 内中断（异常、陷入 trap）
  • 自愿中断（指令中断）
  • 强迫中断
    • 硬件故障
    • 软件中断
• 外中断（强迫中断）
  • 外设请求
  • 人的干预

中断处理过程：

1. 关中断 （硬件完成）
2. 保存断点（硬件完成）
3. 中断服务程序寻址（硬件完成）
4. 保存现场和屏蔽字 （中断程序完成）
5. 开中断（中断程序完成）
6. 执行中断服务程序（中断程序完成）
7. 关中断（中断程序完成）
8. 恢复现场（中断程序完成）
9. 开中断，中断返回（返回到保存的断点处）（中断程序完成）

1.3.3 系统调用

系统中各个资源由 OS 管理，用户程序中凡是与资源有关的操作，都必须通过系统调用向 OS 提出服务请求。 用户程序通过陷入指令来发起系统调用，请求 OS 提供服务。（用户态可以执行陷入指令，因此陷入指令非特权指令）

系统调用按功能分为以下几类：

• 设备管理
• 文件管理
• 进程控制
• 进程通信
• 内存管理

用户态转向核心态的例子：

1. 系统调用
2. 中断
3. 程序指令出现错误（除0，地址越界，算术溢出等）
4. 用户程序企图执行特权指令（异常）

第2章 进程管理

第3章 内存管理

第4章 文件管理

第5章 IO管理