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1.操作系统的概念、功能

操作系统是指①控制和管理整个计算机系统的硬件和软件资源，并合理地组织调度计算机的工作和资源的分配（操作系统是系统资源的管理者）②以提供给用户和其他软件方便的接口和环境（向上层提供方便易用的服务）③它是计算机系统中最基本的系统软件（是最接近硬件的一层软件）

1.1作为系统资源的管理者

操作系统提供处理机管理、存储器管理、文件管理、设备管理的功能

1.2向上层提供方便易用的服务

1.2.1给普通用户使用

1.2.1.1联机命令接口

联机命令接口=交互式命令接口

特点:用户说一句，系统跟着做一句 例子：命令解释器，shell（命令解析器）

1.2.1.2脱机命令接口

脱机命令接口=批处理命令接口

特点:用户说一堆系统跟着做一堆

1.2.2给软件/程序员使用

1.2.2.1程序接口

程序接口:可以在程序中进行系统调用来使用程序接口。普通用户不能直接使用程序接口，只能通过程序代码间接使用。

1.2.2.2系统调用

系统调用等于广义指令，系统调用类似于函数调用，是应用程序请求操作系统服务的唯一方式

1.3最接近硬件的一层软件

操作系统实现了对硬件机器的拓展

没有任何软件支持的计算机成为裸机。 把覆盖了软件的机器称为扩充机器，又称之为虚拟机

2.操作系统的四个特征

并发，共享，虚拟，异步，其中并发和共享是最基本的特征，二者互为存在条件

2.1并发

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。

并行:指两个或多个事件在同一时刻同时发生。 操作系统的并发性是指计算机系统中“同时”运行着多个程序，这些程序宏观上看是同时运行着的，而微观上看是交替运行的。 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

2.2共享

共享即资源共享，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。

2.2.1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

2.2.2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。所谓的“同时”往往是宏观上的，而在微观上，这些进程可能是交替地对该资源进行访问的〈即分时共享)

2.3虚拟

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（前者）是实际存在的，而逻辑上对应物（后者）是用户感受到的。

2.3.1空分复用技术

如虚拟存储器技术

2.3.2时分复用技术

如虚拟处理器

2.4异步

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，这就是进程的异步性。

3.操作系统的发展与分类

3.1手工操作阶段

主要缺点：用户独占全机、人机速度矛盾导致资源利用率极低

3.2批处理阶段

引入脱机输入/输出技术（用外围机+磁带完成），并由监督程序负责控制作业的输入、输出

3.2.1单道批处理系统

基本特征：顺序性 主要优点：缓解了一定程度的人机速度矛盾， 资源利用率有所提升。 主要缺点：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

3.2.2多道批处理系统

基本特征：制约性、间断性、共享性

主要优点：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和其他资源更能保持“忙碌”状态，系统吞吐量增大。

主要缺点：用户响应时间长，没有人机交互功能（用户提交自己的作业之后就只能等待计算机处理完成，中间不能控制自己的作业执行。eg：无法调试程序/无法在程序运行过程中输入一些参数）

3.3分时操作系统

分时操作系统：计算机以时间片为单位轮流为各个用户/作业服务，各个用户可通过终端与计算机进行交互。

主要优点：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。 主要缺点：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。

3.4实时操作系统

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。 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，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。

3.4.1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

3.4.2软实时系统

能接受偶尔违反时间规定，如:12306火车订票系统

3.5其他几种操作系统

网络操作系统：是伴随着计算机网络的发展而诞生的，能把网络中各个计算机有机地结合起来，实现数据传送等功能，实现网络中各种资源的共享（如文件共享）和各台计算机之间的通信。（如：Windows NT 就是 一种典型的网络操作系统，网站服务器就可以使用）

分布式操作系统：主要特点是分布性和并行性。系统中的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。 个人计算机操作系统：如 Windows XP、MacOS，方便个人使用。

★4.操作系统的运行机制

4.1内核程序和应用程序

应用程序就是我们普通程序员写的程序

内核程序就是实现操作系统的程序 由很多内核程序组成了操作系统内核，或简称内核（Kernel）, 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

4.2特权指令和非特权指令

特权指令是指计算机中不允许用户直接使用的指令,只允许操作系统内核使用。

如：I/O指令、置中断指令，存取用于内存保护的寄存器、送程序状态字到程序状态字寄存器、清内存、置时钟、分配系统资源、修改虚存的段表和页表，修改用户的访问权限等的指令 非特权指令是指计算机中允许用户直接使用的指令

4.3用户态和内核态

4.3.1概念

内核态又称核心态和管态。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

用户态又称目态。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

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“内核态”，0表示“用户态”

4.3.2内核态、用户态的切换

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

★5.中断和异常

5.1中断的作用

中断会使CPU由用 户态变为内核态，使操作系统重新夺回对CPU的控制权。

“中断”是让操作系统内核夺回CPU使用权的唯一途径。 如果没有“中断”机制，那么一旦应用程序上CPU运行，CPU就会一直运行这个应用程序

5.2内中断（异常）

与当前执行的指令有关， 中断信号来源于CPU内部

5.2.1陷阱、陷入（trap）

由陷入指令引发，是应用程序故意引发的

例子 1：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（陷入指令不是特权指令，因为运行在用户态。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），该指令会引发一个内部中断信号

5.2.2故障（fault）

由错误条件引起的，可能被内核程序修复。内核程序修复故障后会把 CPU使用权还给应用程序，让它继续执行下去。

例子1：缺页故障

5.2.3终止（zbort）

由致命错误引起，内核程序无法修复该错误，因此一般不再将CPU使用权还给引发终止的应用程序， 而是直接终止该应用程序。

例子 1：试图在用户态下执行特权指令

例子 2：执行除法指令时发现除数为 0

5.3外中断（中断）

与当前执行的指令无关， 中断信号来源于CPU外部

例子 1：时钟中断——由时钟部件发来的中断信号（时钟部件每隔一个时间 片（如 50ms）会给CPU发送一个时钟中断信号） 例子2：I/O中断——由输入/输出设备发来的中断信号

5.4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。

★6.系统调用

“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，应用程序可以通过系统调用来请求获得操作系统内核的服务

6.1系统调用与库函数的区别

6.2什么功能要用到系统调用？

应用程序通过系统调用请求操作系统的服务。而系统中的各种共享资源都由操作系统内核统一掌管，因此凡是与共享资源有关的操作（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内核提 出服务请求，由操作系统内核代为完成。这样可以保证系统的稳定性和安全性，防止用户进行非法操作。

6.3系统调用的过程

传递系统调用参数 → 执行陷入指令（用户态）→ 执行相应的内请求核程序处理系统调用（核心态）→返回应用程序 注意：

1. 陷入指令是在用户态执行的，执行陷入指令之后立即引发一个内中断，使CPU进入核心态
2. 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

7.操作系统的体系结构（了解）

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 现在，应用程序想要请求操作系统的服务，这个服务的处理同时涉及到进程管理、存储 管理、设备管理 ，变态状况如下： 注意：变态的过程是有成本的，要消耗不少时间，频繁地变态会降低系统性能 微内核优点：添加系统服务时，不必修改内核；使系统更可靠

8.补充

1.计算机开机后，操作系统最终被加载到RAM

2.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 3.在IBM-PC(个人计算机)中，操作系统称为微型计算机操作系统 4.单核CPU也能支持多任务操作系统（能够支持多个进程同时运行） 5.通用操作系统:具有多种类型操作特征的操作系统。可以同时兼有多道批处理、分时、实时处理的功能，或其中两种以上的功能。 6.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 7.计算机通过硬件中断机制完成由用户态到核心态的转换。 ★8.在用户态发生:中断（包括缺页、I/O），系统调用(广义指令)       在核心态发生:进程调度       在用户态执行:命令解释器       核心态下执行:中断（包括缺页、I/O），系统调用(广义指令)，进程调度，置时钟指令

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