【计算机操作系统】1.1-操作系统引论

操作系统的概念功能和目标

  1. 负责管理协调硬件、软件等计算机资源的工作
  2. 为上层的应用程序、用户提供简单易用的服务
  3. 操作系统是系统软件,而不是硬件

操作系统是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,它是计算机系统中最基本的系统软件

作为系统资源的管理者

进程是一个程序的执行过程。执行前需要将该程序放到内存中,才能被CPU处理。

  • 作为系统资源的管理者
    • 提供的功能
      • 处理机管理
      • 存储器管理
      • 文件管理
      • 设备管理
    • 目标
      • 安全
      • 高效

作为用户和计算机硬件之间的接口

  • 命令接口:允许用户直接使用

  • 程序接口:允许用户通过程序间接使用

  • GUI:现代操作系统中最流行的图形用户接口

  • 作为用户和计算机硬件之间的接口

    • 提供的功能
      • 命令接口
        • 联机命令接口
        • 脱机命令接口
      • 程序接口
      • GUI(图形化用户界面)
    • 目标
      • 方便用户使用

其中的命令接口程序接口统称为“用户接口

  • 用户接口
    • 命令接口(允许用户直接使用
      • 联机命令接口:用户说一句,系统做一句
        • CMD
      • 脱机命令接口:用户说一堆,系统做一堆
        • BAT批处理
    • 程序接口(允许用户通过程序间接使用
      • 由一组系统调用组成(程序接口=系统调用)
      • C:\Windows\System32\user32.dll程序员在程序中调用user32.dll(该调用过程即为系统调用)即可实现穿件窗口等功能。只能通过用户程序间接使用

有的地方会称系统调用=系统调用命令=广义指令

作为最接近硬件的层次

系统提供的功能和目标:实现对硬件机器的拓展

没有任何软件支持的计算机称为裸机。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称为扩充机器,又称之为虚拟机

操作系统的四个特征

并发共享这两个最基本的特征,二者互为存在条件

并发

  • 并发
    • 指两个或多个时间再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(这些程序微观上是交替执行的,但宏观上看起来就像是在同时执行)

事实上,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

N核CPU就意味着一个CPU中又N个内核,也就意味着可以由N个程序并行!!并行执行!!!,但是并发性依然是必不可少的。

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。

  • 两种资源共享方式
    • 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
    • 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资源进行访问的(即分时共享)

  • 并发和共享的关系
    • 并发性是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。

并发性和共享性互为存在条件。

虚拟

虚拟是指把一个物理上的实体变成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。

  • 空分复用技术
    • 虚拟存储器技术,一句话就是假装有更多的内存。
  • 时分复用技术
    • 微观上处理机在各个微小的时间段内交替着为各个进程服务。

如果失去了并发性,则一个时间段内系统值需运行一道程序,那么就失去了实现虚拟性的意义了。因此没有并发性,就谈不上虚拟性

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。

如果时许了并发性,则系统只能串行地处理各个进程,每个进程的执行才会一贯到底。只有系统拥有并发性,才有可能导致异步性。

操作系统的发展与分类

  • OS的发展与分类
    • 手工操作阶段
    • 批处理阶段
      • 单道批处理系统
      • 多道批处理系统(操作系统开始出现)
    • 分时操作系统
    • 实时操作系统
    • 网络操作系统
    • 分布式操作系统
    • 个人计算机操作系统

手工操作阶段

打孔纸带的那个计算机,骆代富年代的那个机器

  • 主要缺点
    • 用户独占全机
    • 人机速度矛盾导致资源利率极低

批处理阶段

单道批处理系统

引出脱机输入/输出技术(用磁带完成),并监督程序负责控制作业的输入、输出。

在手工操作的那个指代机中多了一台外围机,用来将纸带读入磁带上

  • 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。

多道批处理系统

每次往内存中输入多道程序

操作系统正式诞生,并引入了中断技术,由操作系统负责管理这些程序的运行。各个程序并发执行。

  • 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和其他资源保持“忙碌”状态,系统吞吐量增大。
  • 主要缺点
    • 用户相应时间长,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。)

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
    • 用户请求可以被及时响应,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。

实时操作系统

  • 主要优点
    • 能够优先响应一些紧急任务,某些紧急任务不需要时间片排队

在实时操作系统的控制下,计算机系统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

  • 实时操作系统
    • 硬实时系统
      • 必须在绝对严格的规定时间内完成处理
      • 导弹控制系统、自动驾驶系统
    • 软实时系统
      • 能接收偶尔违反时间规定
      • 12306火车票

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。(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低位相同,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

操作系统的运行机制与体系结构

  • OS的运行机制和体系结构
    • 运行机制
      • 两种指令
        • 特权指令
        • 非特权指令
      • 两种处理器状态
        • 核心态
        • 用户态
      • 两种程序
        • 内核程序
        • 应用程序
    • 操作系统内核
      • 时钟管理
      • 中断处理
      • 原语
      • 对系统资源进行管理的功能
        • 进程管理
        • 存储器管理
        • 设备管理
    • 操作系统的体系结构
      • 大内核
      • 微内核

两种指令、两种处理器状态、两种程序

  • 指令

    • 特权指令:如内存清零指令
    • 非特权指令:如普通的运算指令
  • 处理器状态

    • 用户态(目态)
      • 此时CPU只能执行非特权指令
    • 核心态(管态)
      • 特权指令、非特权指令都可执行

处理器状态用程序状态寄存器(PSW)中的某标志位来标识当前处理器处于什么状态。如0为用户态,1为核心态

  • 两种程序

    • 内核程序
      • 操作系统的内核程序是系统的管理者,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
      • 为了保证系统能安全运行,普通应用程序只能执行非特权指令,运行在用户态。
  • 运行机制

    • 两种指令
      • 特权指令
      • 非特权指令
    • 两种处理器状态
      • 核心态
      • 用户态
    • 两种程序
      • 内核程序
      • 应用程序

操作系统的内核

  • 操作系统
    • 非内核功能
    • 内核
      • 进程管理、存储器管理、设备管理等功能
      • 时钟管理
        • 实现计时功能
      • 中断处理
      • 原语(设备驱动、CPU切换等)
        • 是一种特殊的程序,是最接近硬件的部分,这种程序的运行具有原子性。

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

  • 操作系统内核
    • 时钟管理
      • 实现及时功能
    • 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,最接近硬件的部分
      • 这种程序的运行具有原子性——其运行只能一气呵成,不可中断
      • 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
      • 设备管理
      • 有的操作西荣不把这些功能归为“内核功能”,也就是说,不同的操作系统对内核功能的划分可能并不一样。

操作系统的体系结构

  • 大内核就是包括了非必备的那些功能

  • 微内核就是只包含了必备的功能

  • 操作系统的体系结构

    • 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
    • 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

中断和异常

  • 中断和异常
    • 中断机制的诞生
    • 中断的概念和作用
    • 中断的分类
      • 内中断(也称为“异常”)
      • 外中断
    • 外中断的处理过程

中断机制的诞生

人们发明了操作系统,引入中断机制,实现了多道程序并发执行

本质:发生中断就意味着需要操作系统介入,开展管理工作

CPU收到计时部件发出的中断信号,切换为核心态对中断进行处理。操作系统内核负责对中断信号进行处理

中断的概念和作用

  1. 当中断发生时,CPU立即进入核心态
  2. 当中断发生时,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介入,开展管理工作。由于操作系统的管理工作(比如进程切换、分配I/O设备等)需要使用特权指令,因此CPU要从用户态转为核心态。中断可以使CPU从用户态切换为核心态,使操作系统获得计算机的控制权。有了中断,才能实现多道程序并发执行。

  • 中断是用户态->核心态的唯一!唯一途径!!
  • 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”。

中断的分类

  • 中断
    • 内中断(也称异常、列外、陷入)(信号来源:CPU内部与当前执行的指令有关)
      • 自愿中断-指令中断(系统调用时使用的访管指令,又叫陷入指令、trap指令)
      • 强迫中断
        • 硬件故障(如:缺页)
        • 软件中断(如:整数除0)
    • 外中断(中断)(信号来源:CPU外部,与当前执行的指令无关)
      • 外设请求(I/O操作完成发出的中断信号)
      • 人工干预(用户强行终止一个进程)

另一种分类方式:

  • 中断的分类
    • 内中断(内部异常)
      • 陷阱、陷入(trap)
        • 有意而为之的异常,如系统调用
      • 故障(fault)
        • 由错误条件引起的,可能被故障处理程序修复,如缺页
      • 终止(abort)
        • 不可恢复的指明错误造成的结果,终止处理程序不再将控制返回给引发终止的应用程序,如整数除0
    • 外中断
      • I/O中断请求
      • 人工干预

外中断的处理过程

  1. 执行完每个指令后,CPU都要检查当前是否有外部中断信号。
  2. 如果检测到外部终端型号,则需要保护被中断进程的CPU环境(如程序状态字PSW、程序计数器PC、各种通用寄存器)
  3. 根据中断信号类型转入相应的中断处理程序
  4. 恢复原进程的CPU环境并退出中断,返回原进程继续往下执行。

系统调用

  • 系统调用
    • 什么是系统调用,有何作用?
    • 系统调用和库函数的区别
    • 系统调用背后的过程

什么是系统调用,有何作用?

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有操作系统统一掌管,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),都必须通过操作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(按功能分类)
    • 设备管理
      • 完成设备的 请求/释放/启动 等功能
    • 文件管理
      • 完成文件的 读/写/创建/删除 等功能
    • 进程控制
      • 完成进程的 创建/撤销/阻塞/唤醒 等功能
    • 进程通信
      • 完成进程之间的 消息传递/信号传递 等功能
    • 内存管理
      • 完成内存的 分配/回收 等功能

系统调用相关处理涉及到对系统资源的管理、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下进行。

系统调用和库函数的区别

库函数就是封装好的系统调用,把具体使用了哪些系统调用的细节隐藏起来了。

  • 不涉及系统调用的库函数:取绝对值
  • 涉及系统调用的库函数:创建一个新文件

系统调用背后的过程

传递系统调用参数->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

  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,从而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
  3. 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