操作系统 | 计算机系统概述

本是古典何须时尚 2022-01-07 20:37 690阅读 0赞

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**1.1 操作系统的基本概念**

*  并发和共享是操作系统两个最基本的特征，虚拟和异步也是。
 *  操作系统管理计算机硬件软件资源，如CPU,内存，外存，不管理源程序。
 *  系统软件包括：操作系统、数据库管理系统、语言处理程序、服务性程序、标准库程序。
 *  并发性是指若干事件在同一事件间隔内发生，而并行性是指若干事件在同一时刻发生。
 *  操作系统主要向用户提供命令接口和程序接口（系统调用），此外还提供图形接口：其实图形接口其实是调用了系统调用而实现的功能。
 *  操作系统位编程人员提供的接口是程序接口，即系统调用。
 *  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），目的是隐藏“访管”指令的细节，使系统调用更加方便抽象。但是库函数属于用户程序而非系统调用，是系统调用的上层。
 *  系统调用是由操作系统提供给用户的，它只能通过用户程序间接使用。它是操作系统位应用程序使用内核功能所提供的接口。
 *  系统调用的目的是请求系统服务。
 *  操作系统与用户通信接口通常包括：shell、命令解释器、广义指令，不包括缓存管理命令。广义指令就是系统调用命令。命令解释器属于命令接口。shell是命令解释器，也属于命令接口。操作系统不提供管理系统缓存的系统调用。
 *  引入多道程序设计后，程序执行就失去了封闭性和顺序性。程序的执行因为共享资源以及相互协同的原因产生了竞争，相互制约。考虑到竞争的公平性，程序的执行是断续的。顺序性是单道程序设计的基本特征。
 *  库函数与系统调用的区别和联系  
    库函数是语言或应用的一部分，可以运行在用户空间中。而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，运行在内核空间中，而且许多库函数都会使用系统调用来实现功能。未使用系统调用的库函数，其执行效率通常比系统调用高。因为使用系统调用时需要上下文的切换和状态的转换（由用户态转向核心态）

**1.2 操作系统的发展与分类**

*  批处理系统：允许多个用户将若干作业提交给计算机系统集中处理的操作系统；脱机工作；多道程序并发执行；交互能力差。
 *  分时操作系统：允许多个用户以交互的方式使用计算机的操作系统；交互性强、响应及时。
 *  实时操作系统：计算机系统能及时处理由过程控制反馈的数据；可靠性高，响应及时但是资源利用率低。
 *  微型计算机操作系统：IBM-PC

**1.3 操作系统的运行环境**

*  通用操作系统使用时间片轮转调度算法，用户运行程序并不需要预先语定运行时间。
 *  操作系统执行程序时，必须从起始地址开始执行。
 *  编译器是操作系统的上层软件，不是操作系统需要提供的功能
 *  批处理的主要缺点是缺少交互性
 *  输入/输出指令需要中断操作，中断必须在核心态下执行。
 *  多道性是为了提高系统利用率和吞吐量而提出的。
 *  I/O通道是一种特殊的硬件处理器，她具有执行I/O指令的能力，并通过执行通道程序来控制I/O操作。
 *  用户程序设计时，使用系统调用命令，该命令经过编译后，形成若干参数和陷入（trap）指令。程序设计无法形成屏蔽指令。
 *  中断处理是操作系统必须提供的功能，在核心态执行。
 *  用户程序在用户态下要使用的特权指令引起的中断属于访管中断。
 *  内核可以执行处理器能执行的任何指令，用户程序只能执行除特权以外的指令，所以特权指令只能由内核即操作系统使用。
 *  中断系统和地址映射都需要硬件支持，因为他们中的重定位都是离不开硬件支持的。时钟管理是直接由硬件完成的。进程调度由调度算法决定CPU使用权，由操作系统实现，无需硬件支持。
 *  计算机通过硬件中断机制完成由用户态到核心态的转换。
 *  缺页处理和时钟中断都属于中断，在核心态执行，进程调度是操作系统内核进程，无须用户干预，在核心态执行。命令解释程序属于命令接口，在用户态执行。
 *  系统调用是操作系统提供给用户的接口，系统调用发生在用户态，被调用程序在核心态执行。外部中断是用户态到核心态的门，也发生在用户态，但在核心态完成中断过程。缺页产生后，在用户态发生缺页中断，然后进入核心态执行缺页中断服务程序。
 *  置时钟指令只能在核心态下执行
 *  访管指令仅在用户态下使用，执行它将用户态转变成核心态。用户态不能执行特权指令。在核心态下CPU可以执行指令系统中的任何指令。
 *  广义指令可在用户态调用，但只能在核心态执行。输入输出在核心态执行。
 *  整数除零和read系统调用函数在内核态执行，sin（）函数调用在用户态执行。
 *  子程序调用只需保存程序断点，即该指令下的下一条指令的地址；中断调用子程序不仅要保存断点（PC的内容），假药保存程序状态字寄存器（PSW）的内容。在中断处理中，最重要的两个寄存器是PC和PSWR.
 *  trap、跳转、压栈指令均可以在用户态执行，关中断指令必须在核心态。
 *  内部异常的产生与当前执行指令相关，其检测由CPU内部逻辑实现，其响应发生在指令执行过程中。其处理后不一定会回到发生异常指令并继续执行，如除数为0和自行中断都会自动跳过中断指令。
 *  中断时来自CPU以外的事件，与当前程序运行无关；异常也称内中断、例外、陷入，源自CPU执行指令内部的事件，如地址越界、溢出、缺页等。
 *  外部中断处理的过程中，PC值由中断隐指令自动保存，而通用寄存器内容由操作系统保存。
 *  执行系统调用的过程：正在运行的进程先传递系统调用参数，由陷入指令负责将用户态转换为内核态，并将返回地址压入堆栈以后备用，接下来CPU执行相应的内核态服务程序，最后返回用户态。
 *  处理器为什么要区分核心态和用户态？什么情况下切换？  
    区分执行态的目的是保护系统程序。用户态到核心态的转换发生在中断产生时，而核心态到用户态的转换则发生在中断返回用户程序时。
 *  为啥说知道出现中断和通道技术后，多道程序概念才变得有用？  
    因为两者结合起来就可以实现CPU和I/O设备并行工作，即CPU启动通道传输数据后便去执行其他程序的计算工作，而通道则进行输入输出操作；当通道工作结束时，再通过中断机构向CPU发处中断请求，CPU则暂停手中的操作，对中断进行处理，之后再继续原来的工作。这样就正真做指导了并行工作。多道程序的概念才变成现实。

**1.4 操作系统的体系结构**  
见思维导图

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