操作系统 -- 计算机系统概述(一)

操作系统 – 计算机系统概述(一)

1. 前言

操作系统是我们计算机专业需要掌握的一门课程，由于操作系统较为难以理解，因此我将操作系统知识点进行整理。

我主要将操作系统分为5个大知识点进行整理：

1. 计算机系统概述
2. 进程管理
3. 内存管理
4. 文件管理
5. IO外设管理

本篇博客就是对计算机系统概述进行知识点解析。

2. 计算机系统概述 – OS特征

OS特征主要分为四个：并发、共享、虚拟、异步。

并发：指两个或多个事件再同一时间间隔发生。这些事件宏观上是同时发生的，但微观上时交替间隔发生的。我们与之容易混淆的并行：两个或多个事件在同一时刻同时发生。

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。而共享又分为两种方式：互斥共享方式(系统中的某些资源，算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)。注：所谓的"同时"往往是宏观上的，而微观上，这些进程可能是交替地对资源进行访问的。

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(前者)是一个实际存在的，而逻辑上的对应物(后者)是用户感受到的。而虚拟技术也分为两种：空分复用技术(如虚拟存储技术)、时分复用技术(如虚拟处理器)。

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。只有系统拥有并发性，才有可能导致异步性。

3. 计算机系统概述 – OS的运行机制和体系结构

3.1 运行机制

主要介绍两种指令、两种处理状态、两种程序。

首先我们要了解什么是指令：是指处理器(CPU)能够识别、执行的最基本命令。

两种指令：特权指令(如内存清零指令)、非特权指令(如普通的运算指令)。

那么CPU如何判断当前指令是否可以执行特权指令？因此引入一下概念。

两种处理状态：用户态(目态，此时CPU只能执行非特权指令)、核心态(管态，此时CPU可以执行特权指令和非特权指令)。

由上面两个知识点，那么我们就能够理解两种程序：内核程序(指系统的管理者，既可以执行特权指令、也可以执行非特权指令，运行在内核态)、应用程序(为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)。

3.2 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程序就是内核程序。

操作系统内核包含一下方面：

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，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。

3.3 操作系统的体系结构

分为大内核和微内核。

大内核：将操作系统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，结构混论，难以维护。

微内核：只把最基本的功能留在内核。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。

4. 计算机系统概述 – 中断和异常

中断概念和作用：

1. 当中断发生时，CPU立即进入核心态
2. 当中断发生后，当前运行的程序暂停运行，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IO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从用户态转为核心态，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。

了解了以上原理，我们能够知道：

用户态转核心态，是通过中断实现的，并且中断是唯一途径。

核心态转用户态，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"。

中断还分为内中断(而我们也成为异常)、外中断。它们区别的方式是：

内中断信号的来源：CPU内部与当前执行的指令有关

外中断信号的来源：CPU内部与当前执行的指令无关

那么我们来看一下外中断的处理过程：

1. 每条指令执行结束后，CPU检查是否由外部中断信号
2. 若有外部中断信号，组需要保护被中断进程的CPU环境
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环境并推出中断，返回原进程继续往下执行

5. 计算机系统概述 – 系统调用

”系统调用“是操作系统提供给应用程序(程序员)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的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，音系在用户程序中，凡是与资源有关的操作(如分配内存、IO操作、文件管理)，都必须通过系统调用的方式向操作系统发出服务请求，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。

举个例子：你去打印机打印资料，按下”打印“后，打印机开始工作。如果当你资料打印到一半时，另一个同学也按下了”打印“。那么，你的资料就会和同学的资料混杂在一起，出现错误。

解决方法：这时，操作系统就提供了”系统调用“这个功能，用户进程想要使用打印机这种共享资源，只能通过系统调用向操作系统发出请求。操作系统会对各个请求进行协调管理。

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

我们需要注意的是：

1. 陷入指令实在用户态执行的，执行陷入指令之后立即引发一个内中断，从CPU进入核心态
2. 发出系统调用请求是在用户态，为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，而不可以在核心态执行的指令

6. 小结

以上都是对操作系统的简单概述，主要讲了OS特征、OS的运行机制和系统结构、中断和异常、系统调用。

下一篇我们来了解进程管理的部分内容。