操作系统笔记<1>
操作系统的概念
- 指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
- 以提供给用户和其他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
操作系统的功能
(系统资源管理者)
- 文件管理
- 存储器管理
- 处理机(CPU)管理
- 设备管理
(用户和计算机硬件之间的接口)
命令接口:运行用户直接使用
脱机命令接口:也称批处理命令接口,一批一批处理
联机命令接口:也称交互式命令接口,一个一个处理,用户说一句,计算机执行一次程序接口:运行用户通过程序使用(由一组系统调用组成)
GUI:现代操作系统中最流行的图形用户接口(用形象的图图形界面代替复杂的命令、参数)
(作为最接近硬件的层次)
- 实现对硬件程序的拓展
操作系统的目标
- 安全高效
操作系统的特征
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,微观上是交替发生。(并行:两个或多个事件在同一时刻同时发生)
操作系统的并发性指计算机系统中同时存在着多个运行着的程序。
一个单核处理机(CPU)同一时刻只能执行一个程序,因此操作系统会负责协调多个程序交替执行(宏观同时,微观交替)共享
- 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,但一个时间段内只允许一个进程访问该资源(例如使用QQ和微信视频,同一时间段内摄像头只能分配给其中一个进程)
- 同时共享方式:系统中某些资源,允许一个时间段内由多个进程“同时”(宏同微交)对它们进行访问(使用QQ发送文件A,微信发送文件B。宏观看两边同时读取并发送文件,说明两个进程都在访问硬盘资源,从中读取数据,微观上,两个进程是交替着访问硬盘的)
并发性和共享性互为存在条件: - 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
- 所以,如果失去并发性,则系统中只有一个程序正在执行,共享性失去意义
- 如果失去共享性,则多个进程无法同时访问资源,就无法实现同时进行任务,也就无法并发
- 虚拟
指把一个物理上的实体变为若干个逻辑上的对应物。物理实体是实际存在的,逻辑上的对应物是用户感受到的
- 空分复用技术(如虚拟存储器技术)
- 时分复用技术(如虚拟处理器)
如果失去并发性,则一个时间段内系统中只需运行一个程序,那么就失去了实现虚拟性的意义。因此没有并发性就谈不上虚拟性
- 异步
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
如果失去并发性,则系统只能串行地处理各个进程,每个进程的执行会一贯到底,所以只有有并发才有异步
操作系统的发展与分类
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:用户请求可被即时响应,解决了人机交互的问题。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实时操作系统
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
主要特点:及时性和可靠性
1.硬实时系统:必须在严格规定时间内完成处理(如自动驾驶系统)
2.软实时系统:能偶尔违法时间规定网络操作系统
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,网站服务器就可以用使用)分布式操作系统
特点:分布性和并行性
系统中的各台计算机的地位相同,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
操作系统的运行机制和体系结构
- 操作系统运行机制
特权指令只能在核心态下执行
内核程序只能在核心态下执行
- 操作系统的内核
是计算机上配置的底层软件,是操作系统最基本、最核心的部分
实现操作系统内核功能的那些程序是内核程序
时钟管理、中断处理、原语是与硬件关联较紧密的模块
有的操作系统不把对系统资源进行管理的功能划分为内核功能,不同操作系统对内核功能的划分可能不一样
- 操作系统体系结构
中断和异常
- 中断的本质:只要发生了中断就意味着需要操作系统介入,开展管理工作
- 中断的概念和作用
1.当中断发生时,CPU立即进入核心态
2.当中断发生后,当前运行的进程暂停运行,并由操作系统内核对中断进行处理
3.对于不同的中断信号,会进行不同的处理
发生了中断,就意味着需要操作系统的介入,开展管理工作。由于操作系统的管理工作(进程切换、分配I/O设备等)需要使用特权指令,因此CPU要从用户态切换为核心态,是通过中断实现的(中断是唯一途径),使操作系统获得计算机的控制权。有了中断,才能实现多道程序的并发执行
核心态→用户态
的切换是通过执行一个特权指令,将程序状态字(PSW)的标志位设置为“用户态”
内中断信号来源于CPU内部,与当前执行的指令有关
外中断信号来源于CPU外部,与当前执行的指令无关
系统调用
操作系统作为用户和计算机硬件之间的接口,需要向上提供一些简单易用的服务。主要包括命令接口和程序接口。其中程序接口由一组系统调用
组成
系统调用
是操作系统提供给应用程序(程序应/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,应用程序可以发出系统调用请求来获得操作系统的服务
应用程序通过系统调用
请求操作系统的服务。系统中的各种共享资源都由操作系统统一掌管,因此在用户程序中,凡是与资源有关的操作(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提出服务请求,由操作系统代为完成。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
系统调用相关处理涉及系统资源的管理、对进程的控制这些功能需要执行一些特权指令才能完成,因此系统调用的相关处理需要在核心态
完成
系统调用背后的过程
传入系统调用参数→执行陷入指令(用户态)→执行系统调用相应服务程序(核心态)→返回用户程序
- 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,从而使CPU进入核心态
- 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
- 陷入指令是唯一一个只能在用户态执行,而不可在核心态执行的指令
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