操作系统概述
一、操作系统概述
1、概念
操作系统：
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
2、功能和目标
1）系统资源管理
提供的功能：处理机管理、存储器管理、文件管理、设备管理
2）向上层提供服务
**封装思想：**操作系统把一些"丑陋"的硬件功能封装成简单易用的服务，使用户能更方便地使用计算机，用户无需关心底层硬件的原理，只需要对操作系统发出命令即可
1. 直接服务用户
GUI：图形用户解密
命令接口：
- 联机命令接口 = 交互式命令接口（有问有答）
- 脱机命令接口 = 批处理命令接口（用户说，系统做）
2. 服务软件
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（系统调用=广义指令）
3）对硬件机器的拓展
没有任何软件支持的计算机成为裸机。在裸机上安装的操作系统，可以提供资源管理功能和方便用户的服务功能，将裸机改造成功能更强、使用更方便的机器
通常把覆盖了软件的机器成为扩充机器，又称之为虚拟机
二、四个特征
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（复用技术）**的。
（补）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：**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。
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。并发性是操作系统一个最基本的特性
2、共享
**共享：**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。
资源分享的两种方式：
- 互斥共享方式：只能单一程序访问（打印机）
- 同时共享方式：可以多程序并发访问（硬盘的同时访问）
2.5、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。
并发和共享是两个基本特征，二者互为存在条件
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。（用户的感受大于实体）
- 时分复用技术：虚拟处理器
- 空分复用技术：虚拟内存
没有并发性，就谈不上虚拟性
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，进程的执行速度不匹配。
只有系统拥有并发性，才有可能导致异步性。
三、发展与分类
1、手工操作阶段
用户独占全机、人机速度矛盾导致资源利用率极低
2、批处理阶段
1）单道批处理系统
概述：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
**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。
**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。
2）多道批处理系统
**概述：**每次往内存中读入多道程序。操作系统正式诞生，用于支持多道程序并发运行
**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。
**缺点：**用户响应时间长，没有人机交互功能
3、分时操作系统
**概述：**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。
**优点：**用户请求可以被即时响应，实现人机交互问题。允许多个用户同时使用一台计算机。
**缺点：**不能优先处理一些紧急任务。
4、实时操作系统
**概述：**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。
**特点：**及时性、可靠性
**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。
**分类：**硬实时系统、软实时系统
5、其他操作系统
**网络操作系统：**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和各台计算机之间的通信。
**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：Windows 10、MacOS
四、运行机制和体系结构
1、运行机制
1）两种指令
**特权指令：**只有操作系统内核程序才能运行的指令
**非特权指令：**应用程序可以运行的指令
在CPU设计和生产的时候就划分了特权指令和非特权指令，因此CPU执行一条指令前就能判断出其类型
2）两种处理器状态
用于CPU区分此时正在运行程序类型
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
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
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“内核态”，0表示“用户态”
别名：内核态=核心态=管态；用户态=目态
内核态、用户态的切换
- 操作系统内核在让出CPU之前，会用一条特权指令把 PSW 的标志位设置为“用户态”
- CPU发现接下来要执行的这条指令是特权指令，但是自己又处于“用户态”。这个非法事件会引发一个中断信号
- CPU检测到中断信号后，会立即变为“核心态”，并停止运行当前的应用程序，转而运行处理中断信号的内核程序
3）两种程序
**内核程序：**系统的管理者，既可以执行特权指令，也可以执行非特权指令，运行在核心态
**应用程序：**只能执行非特权指令，运行在用户态
2、操作系统内核
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就是内核程序
- 时钟管理：实现计时功能
- 中断处理：负责实现中断机制
- 原语：是一种特殊的程序。处于操作系统最底层，是最接近硬件的部分。这种程序的运行具有原子性（不可被中断）。运行时间较短、调用频繁
- 对系统资源进行管理的功能：进程管理、存储器管理、设备笞理
3、操作系统体系结构
1）大内核
将操作系统的主要功能模块都作为系统内核，运行在核心态
优点：高性能
缺点：内核代码庞大，结构混乱，难以维护
2）微内核
只把最基本的功能保留在内核
优点：内核功能少，结构清晰，方便维护
缺点：需要频繁地在核心态和用户态之间切换，性能低
五、中断和异常
1、中断的作用
中断是让操作系统内核夺回CPU使用权的唯一途径。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
**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”，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，操作系统将强行夺回CPU的使用权
2、（广义）中断的类型
1）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
**陷阱、陷入：**由陷入指令引发，是应用程序为了系统调用故意引发
**故障：**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。如：缺页故障。
**终止：**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。如：整数除0、非法使用特权指令
1）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
每一条指令执行结束时，CPU都会例行检查是否有外中断信号（时钟信号、IO设备）
3、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。
六、系统调用
1、什么是系统调用
系统调用：是操作系统提供给应用程序使用的接口
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
2、系统调用与库函数的区别
3、系统调用的功能
4、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
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
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 = trap 指令 = 访管指令）
