考研操作系统-1.计算机系统概述

王道考研操作系统-1.计算机系统概述

操作系统

是指控制和管理整个计算机系统的硬件和软件资源，合理地组织调度计算机的工作和资源的分配；提供给用户和软件方便的接口和环境；是计算机系统中最基本的系统软件。
应包括：
1）能有效地组织和管理四大资源的软件
2）合理地对各类作业进行调度和控制它们运行的软件
3）方便用户使用计算机的软件

计算机系统自上而下大致可以分为4部分：用户、应用程序、操作系统和硬件。如下图：

操作系统的基本特征
- 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。操作系统的并发性是通过分时得以实现的。在多道程序环境下，一段时间内，宏观上有多道程序在同时执行，而微观上这些程序仍是分时交替执行的。操作系统就是伴随着“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。在内存中的多个程序都分别建立一个进程，它们就可以并发执行，这样提高系统资源的利用率和系统的吞吐量。
  并行是指两个或多个事件在同一时刻同时发生。并行性需要有相关硬件的支持，如多流水线或多处理机硬件环境。
  单核CPU同一时刻只能执行一个程序，各个程序只能并发地执行
  多核CPU同一时刻可以同时执行多个程序，多个程序可以并行地执行
- 共享：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。（调入内存的进程是当前执行的进程，它们共享系统资源）
  
  互斥共享：当进程A要访问某资源时，必须先提出请求。若此时该资源空闲，系统便可将之分配给请求进程A使用。此后若再有其他进程也要访问该资源，只要A未用完就必须等待。仅当A进程访问完并释放系统资源后，才允许另一进程对该资源进行访问。这种资源共享方式称为互斥式共享。
  把这种在一段时间内只允许一个进程访问的资源，成为临界资源（或独占资源）。
  
  同时访问：允许在一段时间内由多个进程“同时”对它们进行访问。“同时”是宏观意义上，微观上进程对该资源的访问是交替进行的。“同时”访问的典型资源是磁盘设备（访问文件等），一些用重入码编写的文件也可被“同时”共享，即允许若干个用户同时访问该文件。
- 并发和共享的关系：
  并发性指计算机系统中同时存在着多个运行着的程序。
  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。
  
  并发和共享是多用户（多任务）OS的两个最基本的特征。它们是互为存在的条件
- 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。前者是实际存在的，后者是用户感受到的。
  
  时分复用技术，虚拟处理机技术，是通过多道程序设计技术，采用让多道程序并发执行的方法，来分时使用一个处理器的。利用多道程序设计技术把一个物理上的CPU虚拟为多个逻辑上的CPU。它利用某设备为一用户服务的空闲时间，又转去为其他用户服务，使设备得到最充分的利用。提高了处理机的效率。
  
  空分复用技术，虚拟存储器技术。将一台机器的物理存储器变为虚拟存储器，从逻辑上扩充存储器的容量。是利用存储器的空闲空间分区域存放和运行其他的多道程序，以此来提高内存的利用率。提高内存的利用率。
- 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，而是以不可预知的速度向前推进。如果失去了并发性，即系统只能串行地运行各个程序，那么每个程序的执行会一贯到底。

操作系统功能

操作系统作为计算机系统资源的管理者
在一个计算机系统中，通常都含有多种硬件和软件资源。归纳起来可将这些资源分为四类：
1）处理机管理
2）存储器管理
3）文件管理
4）设备管理
操作系统作为用户与计算机硬件系统之间的接口

用户可通过三种方式使用计算机，即通过命令方式、系统调用方式和图标——窗口方式来实现与操作系统的通信，并取得它的服务。
1）命令接口分为联机命令接口和脱机命令接口。
- 联机命令接口又称交互式命令接口，适用于分时或实时系统的接口。可以理解为“用户说一句（命令），系统做一句（命令）”，强调了交互性。cmd,shell。
- 脱机命令接口又称批处理命令接口，适用于批处理系统，由一组作业控制命令组成。可以理解为“用户说一堆（命令），系统做一堆（命令）”，用户不能直接干预作业运行。bat文件。
2）程序接口（广义指令）
可以在程序中进行系统调用来使用程序接口。用户间接使用使用程序接口（系统调用）来请求OS中的服务。用户程序非系统调用。

系统调用是操作系统的一部分，是内核为用户提供的程序接口，运行在核心态。

3）图标——窗口
一般是图形用户界面（GUI），如Windows、安卓等的图形化操作界面
补充

操作系统作为最接近硬件的层次
没有任何软件支持的计算机成为裸机。覆盖了软件的机器称为扩充机器，又称之为虚拟机。

操作系统为编程人员提供的接口是程序接口，即系统调用。
用户程序只能通过系统调用的方式来请求内核为其服务，间接地使用各种资源。
系统缓存由操作系统管理，操作系统不提供管理系统缓存的系统调用。
系统开机后，操作系统的程序会被自动加载到内存中的系统区，这段区域是RAM。
库函数是高级语言中提供的与系统调用对应的函数（也有些库函数与系统调用无关），库函数属于用户程序而非系统调用，是语言或应用程序的一部分，可以运行在用户态。

系统调用是操作系统的一部分，是内核为用户提供的程序接口，运行在核心态。未使用系统调用的库函数，其执行效率通常要比系统调用的高。使用系统调用时，需要上下文的切换及状态的转换（用户态->核心态）

操作系统的发展与分类

手工操作阶段（此阶段无操作系统）
批处理阶段（操作系统开始出现）
为了解决人机矛盾及CPU和I/O设备之间速度不匹配的矛盾，出现了批处理系统。
- 单道批处理系统（一个接一个地处理，减少机器空闲等待时间）
  主要特征：
  
  单道性。内存中仅有一道监督程序,每次从磁带上只调入一道程序进入内存运行，当该程序完成或发生异常情况时，才换入其后继程序进入内存运行。
  
  自动性。在顺利的情况下，作业能自动地逐个运行，而无须人工干预。
  
  顺序性。先调入内存的作业先完成。
  
  缺点：系统中的资源得不到充分的利用。是因为在内存中仅有一道程序，程序在发出I/O请求后，CPU便处于等待状态使CPU的利用率显著降低。
- 多道批处理系统（操作系统正式诞生）
  为了进一步提高资源的利用率和系统吞吐量，引入了多道程序设计技术，形成了多道批处理系统。
  允许多个程序同时进入内存并允许它们在CPU中交替地运行，程序共享系统中的各种硬/软件资源。
  中断技术使得多道批处理系统和I/O设备可与CPU并行工作，提高了多道程序运行环境中CPU的利用率。
  特点：
  ①多道。计算机内存中同时存放多道互相独立的程序。
  ②宏观上并行。同时进入系统的多道程序都处于运行过程中，即它们先后开始各自的运行，但都未运行完毕。
  ③微观上串行。内存中的多道程序轮流占有CPU，交替执行。
  优点：
  ①资源利用率高。引入多道批处理能使多道程序交替运行，CPU处于忙碌状态；在内存中装入多道程序可提高内存的利用率，提高I/O设备的利用率。
  ②系统吞吐量高。系统开销小。
  缺点：
  ①平均周转时间长。作业要排队依次进行处理，而作业的周转时间较长，通常需几个小时，甚至几天。
  ②无交互能力。用户不能进行交互。
  与单道程序系统相比，多道程序系统的优点是CPU利用率高、系统吞吐量大以及I/O设备利用率高。
分时操作系统（解决了人机交互问题）
分时技术，是指把处理器的运行时间分成很短的时间片，按时间片轮流把处理器分配给各联机作业使用。一个时间片就是一段很短的时间。
分时操作系统是指多个用户通过自己的终端同时共享一台主机，用户可以同时与主机进行交互操作而互不干扰，用户在自己的终端上键入命令时，系统应能及时接收并及时处理该命令，再将结果返回用户。

多路卡功能：及时接收多个用户键入的命令或数据。多路卡的作用是实现分时多路复用。

实现及时处理则需要采用两种方式：
作业直接进入内存。因为作业在磁盘上是不能运行的，所以作业应直接进入内存。
采用轮转运行方式。系统规定每个作业每次只能运行一个时间片，然后就暂停该作业的运行，并立即调度下一个作业运行。

分时系统的特征：
①多路性（同时性）。指允许多个终端用户同时使用一台计算机。
②独立性。指每个用户在各自的终端上进行操作，彼此之间互不干扰，给用户的感觉就像是他一人独占主机进行操作。
③及时性。指用户的请求在很短时间内获得响应。
④交互性。用户通过终端采用人机对话的方式直接控制程序运行，与同程序进行交互。

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。
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（有优先级）
时操作系统最主要的特征是将时间作为关键参数。
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，要在严格的时限内处理完事件。资源利用率不是实时操作系统主要追求的目标，资源利用率低。实时系统的进程调度，通常采用抢占式的优先级高者优先算法。

特点：及时性、可靠性

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。
- 实时任务的类型：
  周期性实时任务和非周期性实时任务
  
  周期性实时任务：外部设备周期性地发出激励信号给计算机，要求它按指定周期循环执行，以便周期性地控制某外部设备。
  非周期性实时任务：并无明显的周期性，但都必须联系着一个截止时间（最后期限）。它又分为：①开始截止时间，指某任务在某时间以前必须开始执行。②完成截止时间，指某任务在某时间以前必须完成。
- 硬实时任务和软实时任务
  硬实时任务（HRT）是指必须满足任务对截止时间的要求，否则可能出现难以预测的后果。如导弹控制系统等。
  软实时任务（SRT）是指能接受偶尔违法时间规定的事情发生。如信息查询系统。
网络操作系统和分布式计算机系统
网络操作系统是网络中各个计算机有机地结合起来，实现数据传送，资源共享和相互通信。
分布式操作系统：主要特点是分布性和并行性。系统中各台计算机地位相同，任何工作都可以分布在这些计算机上，由它们并行、协同完成这个任务。

操作系统的运行环境

计算机系统中，通常CPU执行两种不同性质程序：一种是操作系统内核程序；另一种是用户自编程序（即系统外层的应用程序，或简称“应用程序”）。内核是操作系统最重要最核心的部分，也是最接近硬件的部分，操作系统的功能未必都在内核中，如图形化用户界面 GUI。甚至可以说，一个操作系统只要有内核就够了（eg：Docker—>仅需Linux内核）

CPU有两种状态，核心态（又称核心态、内核态）和用户态（目态）
处于内核态时，说明此时正在运行的是内核程序，此时可以执行特权指令和非特权指令。
处于用户态时，说明此时正在运行的是应用程序，此时只能执行非特权指令。

特权指令，是指计算机中不允许用户直接使用的指令，如I/O指令、置中断指令、内存清零指令、存取用于内存保护的寄存器、送程序状态字到程序状态字寄存器等的指令。
拓展：CPU 中有一个寄存器叫程序状态字寄存器（PSW），其中有个二进制位，1表示“核心态”，0表示“用户态”。

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。
注意：
操作系统内核需要运行在内核态。
操作系统的非内核功能运行在用户态。
所以采用微内核的话，需要频繁地在核心态和用户态之间切换。

中断和异常的概念
中断也称外中断，指来自CPU执行指令以外事件的发生，与当前执行的指令无关，时钟中断表示一个固定的时间片已到，让处理机处理计时、启动定时运行的任务等。

“中断”是让操作系统内核夺回CPU使用权的唯一途径。有时候应用程序想请求操作系统内核的服务，此时会执行一条特殊的指令——陷入指令，该指令会引发一个内部中断信号。执行“陷入指令”，意味着应用程序主动地将CPU控制权还给操作系统内核。“系统调用”就是通过陷入指令完成的。

异常（内中断、例外、陷入（trap）），指源自CPU执行指令内部的事件，与当前执行的指令有关，如程序的非法操作码、地址越界、算术溢出、虚存系统的缺页及专门的陷入指令等引起的事件。对异常的处理一般要依赖于当前程序的运行现场，异常不能被屏蔽，一旦出现应立即处理。

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。