操作系统---计算机系统概述-优快云博客

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文章目录

1. 操作系统的概念、功能和目的
2. 操作系统的四个特征
3. 操作系统的发展与分类
4. 中断与异常
5. 系统调用
6. 操作系统的体系结构
- 6.1 内核介绍
- 6.2 大内核与微内核的优劣分析

1. 操作系统的概念、功能和目的

1.1 概念

操作系统是指控制和管理整个计算机系统的硬件和软件①资源，并合理地组织调度计算机的工作和资源分配；以提供给用户和其他软件方便的接口和环境②；它是计算机系统中最基本的系统软件③。

简洁的说：
①：操作系统是系统资源的管理者（向下管理资源是手段）
②：向上层提供方便易用的服务（向上提供服务是目的）
③：它是最接近硬件的一层软件

1.2 功能和目的

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操作系统的设计一直围绕着怎么充分管理和利用资源，并很好的向上层用户提供方便易用服务。在设计中体现了封装思想：

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

提供服务如：
①：现代操作系统都提供了GUI（图形化用户接口）
②：提供了联机命令接口，联机命令接口=交互式命令接口，也就是类似cmd命令窗口，特点是用户说一句，系统跟着做一句
③：提供了脱机命令接口，脱机命令接口=批处理命令接口，如：windows下C盘中的* .bat文件，特点是用户说一堆，系统跟着做一堆
④：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。这里系统调用=广义指令
如下图：

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操作系统是对硬件机器的扩展，没有任何软件支持的计算机称为裸机。通常把覆盖了软件的机器称为扩充机器，也叫虚拟机。

1.3 总结：

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2. 操作系统的四个特征

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2.1 并发

2.1.1 区分并发与并行

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

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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，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”而出的。因此，操作系统和程序并发是一起诞生的。

注意：

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，多个程序可以并行执行。对于多处理器系统来说，并行中有并发，并发中有并行

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。

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同时也可以是指宏观与微观上的同时，如一边打游戏，一边听音乐，扬声器会被游戏和音乐两个进程微观上同时共享。

并发与共享是OS两个最基本的特征，两者互为存在的条件：

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。物理实体是实际存在的，而逻辑上的对应物是用户感受到的。

空分复用技术（内存空间分块进行复用，每个进程都认为自己独占整个内存）
时分复用技术（把进程占用CPU时间划分很小，宏观上感觉每个进程在独占CPU）

显然，如果失去了并发性，则一个时间段内系统只需运行一道程序，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

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。

如下图：
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2.5 总结

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3. 操作系统的发展与分类

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3.1 手工操作阶段（此时还无操作系统）

手工操作阶段是由计算机科学家在纸带上通过打孔的方式，将打好孔的纸带传入给计算机进行计算，然后计算机返回计算后的新打好孔的纸带。

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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

3.2.1 单道批处理系统（此时才开始有OS）

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优点：缓解了一定程度的人机人机速度矛盾，资源利用率有所提升
缺点：内存中仅能有一道程序运行，CPU有大量时间是在空闲等待I/O完成，无人机交互，资源利用率依然很低

3.2.2 多道批处理系统

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优点：多道程序能并发执行，共享计算机资源。资源利用率大幅提升。
缺点：用户响应时间长，没有人机交互功能（无法调试程序/无法在程序运行时输入参数）。

3.3 分时操作系统

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优点：即以时间片为单位轮流为各个用户/作业服务，解决了人机交互问题。
缺点：不能优先处理一些紧急任务。

3.4 实时操作系统

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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
缺点：计算机系统使用效率没有分时系统高

3.5 其他几种操作系统（了解）

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。

3.6 总结

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4. 中断与异常

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中断分为外中断与内中断，其中内中断也称异常。
六字真言：内异常，外中断

4.1 中断的作用

“中断”是让CPU由用户态变为内核态，是OS重新夺回对CPU的控制权。
CPU上会运行两种程序，一种是操作系统内核程序①，一种是应用程序②。其中①是整个系统的管理者
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，那么一旦程序在CPU上运行，CPU就会一直只运行这个程序
内核态->用户态：执行一条特权指令——修改PSW（一种特殊的寄存器）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

4.2 中断的类型

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4.2.1 内中断（异常）

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

举例：
①：试图在用户态运行特权指令（被动）
②：执行除法指令时发现除数为0，即执行的指令非法（被动）
③：有时应用程序想请求OS内核的服务，此时会执行一条特殊的指令——陷入指令，该指令会引发一个内部中断信号
补充：
①：执行“陷入指令”，意味着应用程序主动地将CPU控制权还给OS内核。“系统调用”就是通过陷入指令完成地。特别强调：陷入指令不是特权指令
②：陷入指令也叫访管指令或trap指令，它的主要功能就是完成从用户态到内核态的转变
③：从内核态转向用户态由一条指令实现，这条指令是特权指令，因为是在内核态下进行运行的。一般是中断返回指令

4.2.2 外中断

外中断：与当前执行的指令无关，中断信号来源于CPU外部

举例：
①：时钟中断——由时钟部件发来的中断信号。每隔一个时间片（如50ms）发送一次中断信号
②：I/O中断——由输入/输出设备发来的中断信号。当输入输出任务完成时发送中断信号
补充：
①：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
②：原语是一种特殊的程序，具有原子性，其运行时间较短、调用频繁。处于OS的最底层，是最接近硬件的部分。也就是说，这段程序的运行必须一气呵成，不可被“中断”

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4.3 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。
显然，中断处理程序一定是内核程序，需要运行在“内核态”

4.4 总结

特别注意：没有中断机制，就不可能实现操作系统，不可能实现程序并发。

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5. 系统调用

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5.1 什么是系统调用，有何作用？

OS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OS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OS内核的服务
要想写出一些大型应用程序，系统调用是必不可少的
也是由于安全性的考虑，OS不信任任何人，它不准任何人直接进入内核去让OS为其服务，所以用向外提供接口的方式，去让用户间接进行调用

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5.2 系统调用与库函数的区别

先简单点说，系统调用处于内核态，是由OS提供的，必须以内核态的方式运行，一般系统调用是由程序员/编程人员进行使用的。而库函数是处于用户态，一般底层是对系统调用进行了封装，如果使用的库函数底层使用了系统调用，则会执行陷入指令完成变态过程，库函数是为了更便于开发与推广而诞生的产物。

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为什么系统调用是必须的？——为了维护系统安全性，对各个进程使用系统资源的请求进行协调处理。

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5.3 什么功能要用到系统调用

简单说：从用户层发出请求，自上而下要进行硬件资源的使用与访问时，则需通过系统调用的方式进行处理。如printf/scanf/fopen等。
详细说：应用程序通过系统调用请求OS的服务。而系统中的各种共享资源都由OS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OS内核提出服务请求，由OS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。