第1章计算机系统概述

1.1 操作系统的基本概念
- 1.1.1 操作系统的概念操作系统是计算机系统中最基本的系统软件。
  - 操作系统（Operating System，OS）是指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，进而为用户和其他软件提供方便接口与环境的程序集合。
- 1.1.2 操心系统的特征操作系统的基本特征包括：并发、共享、虚拟和异步。并发和共享是操作系统两个最基本的特征，两者之间互为存在的条件。
  - 1. 并发（Concurrence）：并发是指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。操作系统的并发性指计算机系统中同时存在多个运行的程序。操作系统的并发性是通过分时实现的。
    - 并发性与并行性的区别
  - 2. 共享（Sharing）：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。
    - （1）互斥共享方式：在一段时间内只允许一个进程访问该资源（这种资源就叫临界资源）。如打印机、磁带机等大多数物理设备及某些软件中所用的栈、变量和表格这些临界资源。
    - （2）同时访问方式：允许在一段时间内由多个进程“同时”访问。如磁盘设备、用重入码编写的文件。 “同时”指宏观上的，而在微观上还是交替对该资源进行访问的。
  - 3. 虚拟（Virtual）：把一个物理上的实体变为若干逻辑上的对应物。操作系统的虚拟技术应用在虚拟处理器、虚拟内存和虚拟外部设备等。操作系统的虚拟技术可归纳为：时分复用技术，如处理器的分时共享；空分复用技术，如虚拟存储器。
  - 4. 异步（Asynchronism）：操作系统运行在一种随机的环境下，以不可预知的速度向前推进，可能导致进程产生与时间有关的错误。只要运行环境相同，操作系统就必须保证多次运行进程后都能获得相同的结果。
- 1.1.3 操作系统的目标和功能操作系统应具有以下功能：处理机管理、存储器管理、设备管理和文件管理，向用户提供接口及用来扩充机器。
  - 1. 操作系统作为计算机系统资源的管理者
    - （1）处理机管理：包括进程控制、进程同步、进程通信、死锁处理、处理机调度等。在多道程序环境下，处理机的分配和运行都以进程（或线程）为基本单位，故对处理机的管理就是对进程的管理。
    - （2）存储器管理：包括内存分配与回收、地址映射、内存保护与共享和内存扩充等。
    - （3）文件管理：包括文件存储空间的管理、目录管理及文件读写管理和保护等。
    - （4）设备管理：包括缓冲管理、设备分配、设备处理和虚拟设备等。主要任务是完成用户的I/O请求，方便用户使用各种设备，提高设备的利用率。
  - 2. 操作系统作为用户与计算机硬件系统之间的接口
    - （1）命令接口：用户利用这些操作命令来组织和控制作业的执行。
    命令接口根据作业控制方式的不同，分为联机命令接口（交互式命令接口）和脱机命令接口（批处理命令接口）。
    - （2）程序接口：编程人员可以使用它们来请求操作系统服务。
    - 程序接口由一组系统调用（也称广义指令）组成。图形用户界面（GUI）就是调用程序接口实现的。
  - 3. 操作系统用作扩充机器
    - 没有任何软件支持的计算机叫裸机，操作系统提供的资源管理功能和方便用户的各种服务功能，将裸机改造成更强、使用更方便的机器。
1.2 操作系统的发展与分类

1.2.0 发展历程

1.2.1 手工操作系统阶段（此阶段无操作系统）
- 用户在计算机上计算题目需要人工干预。
- 两个突出缺点：
  - ①用户独占全机，不好出现资源被其他用户占用而等待的现象，但资源利用率低。
  - ②CPU等待手工操作，CPU利用不充分。
1.2.2 批处理阶段（操作系统开始出现）
- 引入目的：为了解决人机矛盾及CPU和I/O设备之间速度不匹配的问题，出现了批处理系统。
- 按发展历程分单道批处理系统和多道批量处理系统：
  - 1. 单道批处理系统：系统对作业的处理是成批进行的，单内存中始终只保持一道作业。特点：自动性、顺序性、单道性。
  - 2. 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中交替运行，共享系统中的各种软/硬件资源。引入目的：为了进一步提高资源的利用率和系统的吞吐量。因为单道系统在运行期间发出I/O请求后，高速的CPU会处于等待低速的I/O完成状态。特点：多道、宏观上并行、微观上串行。
- 优缺点
  - 优点：资源利用率高；系统吞吐量大，CPU和其他资源保持“忙碌”状态。
  - 缺点：用户响应的时间较长；不提供人机交互能力。
1.2.3 分时操作系统
- 引入目的：为了解决批处理系统不能进行人机交互的问题。
- 概念：分时系统是指多个用户通过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。分时系统是实现人机交互的系统。
- 特点：
  - （1）同时性。指允许多个终端用户同时使用一台计算机。
  - （2）交互性。指用户能够与系统进行人机对话交互。
  - （3）独立性。系统中多个用户可以彼此独立进行操作，互不干扰，单个用户感觉不到别人也在使用这台计算机，好像只有自己独自使用。
  - （4）及时性。用户请求能在短时间内得到响应。分时系统采用时间片轮转方式使一台计算机同时为多个终端服务。
1.2.4 实时操作系统
- 引入目的：为了能在某个时间限制内完成某些紧急任务而不需要时间片排队。
- 根据时间限制分为两种情况：硬实时系统和软实时系统。
  - 硬实时系统：某个动作必须绝对地在规定时间范围发生。如飞行器的自动控制系统。
  - 软实时系统：能够接受偶尔违反时间规定且不好引起任何永久性的损害。如飞机订票系统、银行管理系统。
- 特点：及时性、可靠性。
1.2.5 网络操作系统和分布式计算机系统二者本质不同是：分布式操作系统中的若干计算机相互协同完成同一任务。
- 网络操作系统
  - 概念：把计算机网络中的各台计算机结合起来，集中控制，实现各台计算机之间的数据相互传送。
  - 特点：网络中各种资源的共享、各台计算机之间的通信。
- 分布式计算机系统
  - 概念：任意两台计算机通过通信方式交互信息；地位同等（没有主机也没有从机）；每天计算机的资源为所有用户共享；任意台计算机能构成子系统并还能重构；任何工作可以分布在几台计算机上，并行工作协同完成。
  - 特点：分布式和并行性。
1.2.6 个人计算机操作系统
- 目前使用最广泛的操作系统，广泛应用于文字处理、电子表格、游戏中，常见的由Windows、Linux和Macintosh等。

1.3 操作系统的运行环境
- 1.3.1 操作系统的运行机制
  - CPU执行两种不同性质的程序：一种是操作系统内核程序；另一种是用户自编程序（应用程序）。前者是后者的管理者。
  - 特权指令（内核程序要执行的指令）：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，存取用于内存保护的寄存器、送程序状态字道程序状态字寄存器等指令。
  - 在具体实现上将CPU的状态分为：
    - 用户态：用户自编程序运行在用户态
    - 核心态（管态、内核态）：操作系统内核程序运行在核心态。
    - 内核的内存构成（这部分内容的指令操作工作在核心态）：
    - 一些与硬件关联紧密的模块，如时钟管理、中断处理、设备驱动等处于最底层。
    - 其次是运行频率较高的程序，如进程管理、存储器管理和设备管理等。
  - 大多数操作系统内核包含以下的内容：内核是计算机上配置的底层软件。核心态指令实际上包括系统调用指令和一些针对时钟、中断和原语的操作指令。
    - 1. 时钟管理
    - 时钟的功能：计时（第一功能）；实现进程的切换（如分时系统中采用时间片轮转调度；实时系统中按截止时间运行；批处理系统中衡量作业的运行程度）。
    - 2. 中断机制
    - 引入目的：提高多道程序运行环境中CPU的利用率，主要针对外部设备。
    - 功能：负责保护和恢复中断现场的信息、转移控制权道相关的处理程序。只有一小部分属于内核，为的是减少中断的处理时间，提高系统的并行处理能力。
    - 3. 原语
    - 原语的特点（也是定义）：原语是操作系统底层可被调用的公用小程序，它们各自完成一个规定的操作。
    - （1）处于操作系统的最底层，是最接近硬件的部分。
    - （2）这些程序的运行具有原子性（要么成功要么失败无其他可能），主要处于系统安全性和便于管理考虑。
    - （3）这些程序的运行时间都较短，而且调用频繁。
    - 定义原语的方法：直接方法是关闭中断，让其所有动作不可分割地完成后再打开中断。系统中的设备驱动、CPU切换、进程通信等功能中的部分操作可以定义为原语，称为内核的组成部分。
    - 4. 系统控制的数据结构及处理
    - 为了实现数据结构的管理，通过有以下一些基本操作：
    - （1）进程管理。进程状态管理、进程调度和分派、创建与撤销进程控制块。
    - （2）存储器管理。存储器的空间分配和回收、内存信息保护程序、代码对换程序。
    - （3）设备管理。缓冲区管理、设备分配和回收。
- 1.3.2 中断和异常的概念
  - 0. 中断的应用
    - （1）发生中断或异常时，运行用户态的CPU就会立即进入核心态，这是通过硬件实现的。
    - （2）对资源占有权的释放，也需要通过中断实现。
  - 1. 中断和异常的定义
    - 中断（也称外中断）：指来自CPU执行指令以外的事件的发生，与当前指令执行无关的事件发生（即它们与当前处理机运行的程序无关）。如I/O结束中断、时钟中断等。
    - 异常（也称内中断、例外或陷入(trap)）：指来自CPU执行指令内部的事件，对异常的处理一般要依赖于当前程序的运行现场，而且异常不能被屏蔽，一旦出现应立即处理。如程序性的非法操作码、地址越界、算术溢出、虚存系统的缺页及专门的陷入指令等。
    - 内中断与外中断的联系与区别
  - 2. 中断处理的过程
    - 外中断处理流程如下：
    其中第（1）~（3）步是在CPU进入中断周期后，由硬件（中断隐指令）自动完成的；（4）~（9）步由中断服务程序完成。
    - （1）关中断。CPU响应中断后，首先要保护程序的现场状态，在保护现场的过程中，CPU不应响应更高级中断源的中断请求。否则，若现场保存不完整，也就不能正确地恢复并继续执行现行程序。
    - （2）保存断点。为保证中断服务程序执行完毕后能正确地返回到原来的程序，必须将原来的程序的断点（即程序计数器PC）保存起来。
    - （3）引出中断服务程序。其实质是取出中断服务程序的入口地址送入程序计数器PC。
    - （4）保存现场和屏蔽字。进入中断服务程序后，首先要保存现场，现场信息一般是指程序状态字寄存器PSWR和某些通用寄存器的内容。
    - （5）开中断。允许更高级中断请求得到响应。
    - （6）执行中断服务程序。这是中断请求的目的。中断服务程序是专门为中断设计的，在中断事件发生时执行的专用子程序，一般分为：保护现场、执行操作、恢复现场这些部分。
    - （7）关中断。保证在恢复现场和屏蔽字时不被中断。
    - （8）恢复现场和屏蔽字。将现场和屏蔽字恢复到原来的状态。
    - （9）开中断、中断返回。中断服务程序的最后一条指令通常是一条中断返回指令，使其返回到原程序的断点处，以便继续执行原程序。
- 1.3.3 系统调用
  - 定义：系统调用是指用户在程序中调用操作系统所提高的一些子功能，系统调用可视为特殊的公共子程序。
  - 按功能分类：
    - 设备管理。完成设备的请求或释放，以及设备启动等功能。
    - 文件管理。完成文件的读、写、创建及删除等功能。
    - 进程控制。完成进程的创建、撤销、阻塞及唤醒等功能。
    - 进程通信。完成进程之间消息传递或信号传递等功能。
    - 内存管理。完成内存的分配、回收以及获取作业占用内存区大小及始址等功能。
  - 系统调用执行过程：系统调用的处理需要由操作系统内核程序负责完成，要运行在核心态。用户程序可以执行陷入指令（又称访管指令或trap指令）来发起系统调用（执行陷入指令CPU状态从用户态进入核心态；处理完成后CPU状态从核心态回到用户态），请求操作系统提供服务。
  - 核心态与用户态间的切换若程序的运行由用户态转到核心态，则会用到访管指令，访管指令是在用户态使用的，所以它不可能为特权指令。
    - 用户态转向核心态的例子：注意：由用户态进入核心态，不仅需要状态切换，而且所用的堆栈也可能需要由用户堆栈切换为系统堆栈，单这个系统堆栈也是属于该进程的。
    - （1）用户程序要求操作系统的服务，即系统调用。
    - （2）发生一次中断。
    - （3）用户程序产生了一个错误状态。
    - （4）用户程序中企图执行一条特权指令。
    - （5）从核心态转向用户态由一条特权指令实现，这条指令也是特权指令，一般是中断返回指令。
1.4 操作系统的体系结构
- 1.4.1 大内核和微内核
  - 操作系统的核心态为应用程序提供什么样的公共服务、如何提高公共服务形成了两种体系结构：大内核和微内核。
    - 大内核：提供了高性能的系统服务，但使得系统层次间界限模糊，接口不清晰，维护代价高，稳定性低。
    - 微内核：将最基本的功能（如进程管理）保留在内核，将一些服务（如文件系统）移到用户态执行。降低了内核设计的复杂性，移出内核的服务程序执行相互独立，交互则需借助微内核通信。使接口更加清晰，维护代价降低，保障了操作系统的可靠性（稳定性），但是系统性能下降。为解决操作系统内核代码难以维护的问题，即大内核的接口不够清晰、层次模糊的问题，提出了微内核的体系结构。