【操作系统复习】Unit1：操作系统概述-优快云博客

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/LSGSM/article/details/131054059

操作系统是管理计算机硬件资源的软件，提供用户与硬件间的接口。文章介绍了操作系统的特征，如并发和虚拟，并详细阐述了从批处理到多道程序、分时系统以及实时系统的发展历程。此外，还讨论了计算机硬件、用户态与内核态、中断和异常的概念，以及操作系统在处理机、存储器、设备和文件管理等方面的功能。

摘要生成于 C知道，由 DeepSeek-R1 满血版支持，前往体验 >

【操作系统复习】Unit1：操作系统概述

1.1 操作系统的基本概念

操作系统是一组管理计算机硬件资源的软件集合，它向计算机程序提供共性的服务。

操作系统是指控制和管理整个计算机系统的硬件与软件资源，合理地组织、调度计算机的工作与资源的分配，进而为用户和其他软件提供方便借口与环境的程序集合。

操作系统是计算机系统中最基本的系统软件。

控制计算机资源；
给用户提供接口或虚拟机

操作系统的特征：

并发：多个事件在同一时间间隔内发送
共享（两种资源共享方式）
- 互斥共享（一段时间内只允许一个进程访问该资源）
- 同时访问（一段时间内有多个进程“同时”访问）
虚拟：处理器的分时共享、虚拟存储器、SPOOLING
异步
- 由于资源等因素的限制，程序的执行通常都不可能“一气呵成”，而是以“停停走走”的方式运行。

操作系统的作用

提供用户与计算机硬件系统之间的接口（API/GUI）
是系统资源的管理者（处理机、存储器、文件、I/O设备等）
- 分配和控制处理机
- 分配和回收内存
- 负责I/O设备的分配（回收）与操纵
- 实现文件的存取、共享、保护
实现对计算机资源的扩充
- 没有任何软件支持的计算机称为裸机，覆盖了软件的及其称为虚拟机/扩充及其

1.2 操作系统发展历程

批处理（联机、脱机）

作业成批送入计算机，计算机能够自动地、成批地处理一个或多个用户的作业

在没有人工参与的情况下，顺序执行一系列的程序

特点：

无需人参与，节约人员排队时间
程序和数据保存在卡片上，自动化作业初始化过程
同一时刻只有一个软件执行
软件运行时，可以以独占的方式使用全部硬件资源
不支持多用户、多程序同时运行

分类：联机批处理系统：即作业的输入输出由CPU处理。 脱机批处理系统：即输入/输出脱离主机控制

联机批处理系统：
在这里插入图片描述

在主机与输入机之间增加一个存储设备——磁带。成批地把输入机上的用户作业读入磁带，再把磁带上的作业读入主机内存并执行，然后把结果向输出机输出。

优点：

监督程序不停地处理各个作业，从而实现了作业到作业的自动转接，减少了作业建立时间和手工操作时间，有效克服了人机矛盾，提高了计算机的利用率。

不足：

在作业输入和结果输出时，主机的高速CPU仍处于空闲状态，即等待慢速的输入/输出设备完成工作：此时主机处于“忙等”状态。

脱机批处理系统

在这里插入图片描述

增加一台不与主机直接相连而专门用于与输入/输出设备打交道的卫星机。

其功能：

从输入机读取用户作业并放到输入磁带上
从输出磁带上读取执行结果并传给输出机

优势：

主机不直接与慢速的输入/输出设备打交道，而是与速度相对较快的磁带机发生关系，有效缓解了主机与设备的矛盾。主机与卫星机可并行工作，二者分工明确，可以发挥主机的高速计算能力。

不足：

每次主机内存中仅存放一道作业，每当它运行期间发出输入/输出（I/O）请求后，高速的CPU便处于等待低速的I/O完成状态，致使CPU空闲。

单道批处理：内存中同时仅有一个作业

多道批处理：内存中同时可以有多个作业

多道程序系统

多个程序在CPU中交替运行，共享系统中的各种硬、软件资源。

优点：

充分利用CPU，改善I/O设备和内存的利用率，从而提高了整个系统的资源利用率和资源吞吐量，最终提高了整个系统的效率

缺点：

平均周转时间长，用户相应的时间较长
不能提供交互能力

单处理器系统中多道程序运行时的特点

多道：计算机内存中同时存放几道相互独立的程序；
宏观上并行：同时进入系统的几道程序都处于运行过程中，即它们先后开始了各自的运行，但都未运行完毕；
微观上串行：实际上，各道程序轮流地用CPU，并交替运行。

多道程序系统需要解决的问题

在一个连续的内存空间，同时驻留多道程序；处理机的争夺；I/O设备的分配；有效的组织不同程序的运行；系统对各种存储介质的管理

分时操作系统

多个用户分享使用同一台计算机。多个程序分时共享硬件和软件资源

将CPU处理时间分割为多个时间片，将时间片分给不同程序，达到多个程序“同时”运行的效果

特点：

多路性：多路连接；宏观上用户共享，微观上分时；
独立性：用户相互不干扰；
及时性：用户请求可以在很短时间内获得响应
交互性：人机对话。

缺点：不能优先处理一些紧急任务

实时操作系统

分为硬实时系统（某个动作必须在规定时间内完成）、软实时系统（能够接受一些无伤大雅的违反时间规定操作）

主要特点：及时响应、高可靠性和安全性

1.3 计算机硬件简介

主要的计算机硬件：CPU、Memory、Video controller、Keybo controller、USB controller、Hard disk controller

处理器

主要硬件单元
- CPU：运算器、控制器
- 通用寄存器
- 专用寄存器：程序计数器、堆栈指针、程序状态字
- 缓存：cache
每种CPU的指令集几乎都是不同的
主要过程：取指令→解码→执行
TRAP指令：目态→管态

I/O设备

设备控制器
设备驱动程序（一般在内核态运行），通过设备寄存器与设备控制器通信
CPU处理速度快，访问I/O设备慢，如何协调
- 忙等待；中断；DMA

1.4 用户态和内核态

计算机系统中，通常有两种程序：操作系统内核程序、用户应用程序

特权指令：不允许用户直接使用的指令，eg：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寄存器等的指令

非特权指令：允许用户直接使用的指令，它不能直接访问系统中的软硬件资源，仅限于访问用户的地址空间

CPU的运行模式划分为用户态（目态）、核心态（管态、内核态）

内核态 $\rightarrow$ 用户态：执行特权指令，置PSW（程序状态字寄存器）=1

用户态 $\rightarrow$ 内核态：由“中断”引发、硬件自动完成

OS的内核包括以下方面的内容

时钟管理：计时、实现进程的切换
中断机制：
- 中断是让操作系统内核夺回CPU使用权的唯一途径
- 没有中断就没有并发
- 中断机制中，只有一小部分功能属于内核，它们负责保护和恢复中断现场的信息，转移控制权到相关的处理程序。这样可以减少中断的处理时间，提高系统的并行处理能力。
原语
- 操作一气呵成；位于OS的最低层最接近硬件；运行时间较短且调用频繁
系统控制的数据结构及处理
- PCB、设备控制块、各类链表、缓冲区、内存分配表等