第一章 计算机系统概述

特征

1. 并发：两个或多个事件在同一事件间隔内发生 老渣在同一时间间隔内逐一和多个女友约会

2. 共享：即资源共享 分两种

• 互斥共享方式 该资源可供多个进程使用，但一段时间内只允许一个进程访问 如摄像头不能同时被微信和qq运行
• 同时访问方式 允许一段时间内由多个进程“同时”访问，在微观上仍是交替访问，同时向qq和微信发送某文件

3. 虚拟：把一个物理上的实体变为若干逻辑上的对应物。

   • 时分复用技术 如处理器的分时共享
   • 空分复用技术 如虚拟存储器

4. 异步：多道程序环境中多个程序并发执行，由于资源有限，进程的执行是走走停停的，以不可预知的速度向前推进

目标和功能

1. 计算机系统资源管理者

   • 处理机管理 多道程序环境下，处理机的分配运行都是以进程（或线程)为基本单位，因此对处理机的管理可归结为对进程的管理。主要包括进程控制、进程同步、进程通信、死锁处理、处理机调度
   • 存储器管理 给多道程序的运行提供良好环境，方便用户使用及提高内存的利用率。包括内存分配与回收、地址映射、内存保护、共享与内存扩充
   • 文件管理 计算机中的信息都是以文件的形式存在的。包括文件存储空间的管理、目录管理及文件读写管理和保护
   • 设备管理 主要是为了完成用户的I/O请求，提高设备利用率。包括缓冲管理、设备分配、设备处理和虚拟设备等功能

2. 用户和计算机系统直接的接口

   • 命令接口：按作业控制方式分两种

     • 联机命令接口 交互式命令接口 说一句做一句
     • 脱机命令接口 批处理命令接口 说一堆做一堆

   • 程序接口 由一组系统调用（也称广义指令）组成。用户通过在程序中使用这些系统调用来请求操作系统为其提供服务，如使用各种外部设备，申请分配和回收内存

   • GUI 是通过调用程序接口实现的，GUI其实不是操作系统的一部分多呢，但其调用的系统调用命令是操作系统的一部分

3. 扩充机器

发展

1. 手工操作

2. 批处理操作系统

• 单道批处理

  • 自动性 顺序性 单道性
  • CPU 经常要等待低速的I/O

• 多道批处理

  • 多道 宏观上并行 微观上串行
  • 优点：资源利用率高 系统吞吐量大 CPU 和其它资源保持忙碌状态
  • 缺点：用户响应时间长，不提供人机交互能力

3. 分时操作系统

   • 同时性 交互性 独立性 及时性
   • 解决了人机交互问题

4. 实时操作系统

   • 硬实时系统 软实时系统
   • 及时性 可靠性
   • 计算机接受外部信号后及时处理，在严格的时限内处理完接收的事件。

5. 网络和分布式操作系统

运行环境

操作系统运行机制

• 时钟管理 ：通过时钟中断的机制，可以实现进程的切换
• 中断机制：现代操作系统是靠中断驱动的软件 如：键盘输入、进程管理调度、系统功能调用、设备驱动、文件访问都依赖于中断
• 原语：位于操作系统最低层，操作一气呵成，运行时间短、调用频繁
• 系统控制的数据结构及处理：登记状态信息的数据结构如：作业控制块、进程控制块、设备控制块、消息队列、缓冲区等 常见操作有3种：进程管理 存储器管理 设备管理

中断和异常

• 中断：也称外中断，指来自CPU 执行指令以外的事件的发生

• 异常：也称内中断、例外、陷入（trap），指来自CPU执行命令内部的事件，如程序非法操作码、地址越界等。异常不能被屏蔽，一旦出现立即处理

• 中断处理的过程

  1. 关中断 保护现场

  2. 保存断点 保证中断执行完后返回原来程序

  3. 引出中断服务程序 取中断服务程序入口地址送入PC

  4. 保存现场和屏蔽字 保存程序状态字寄存器和通用寄存器的内容

  5. 开中断

  6. 执行中断服务程序

  7. 关中断 保证恢复现场和屏蔽字时不被中断

  8. 恢复现场和屏蔽字

  9. 开中断、中断返回

     4-9步为中断服务程序完成

系统调用

系统调用是指用户在程序中调用操作系统所提供的一些子功能 凡是与资源相关的操作，都必须通过系统调用方式向操作系统提出请求

按功能分为：

• 设备管理

• 文件管理

• 进程管理

• 进程通信

• 内存管理

系统调用的处理需要由操作系统内核程序负责完成，要运行在核心态，用户程序可以执行陷入指令来发起系统调用，请求操作系统提供服务

程序的运行由用户态转到核心态，陷入指令是在用户态使用的，所以它不是特权指令。

体系结构

• 大内核

  将操作系统的主要功能模块都作为一个紧密联系的整体运行在核心态，从而提供高性能的服务

• 微内核

  为解决接口复杂、内核代码难以维护的问题，将内核中最基本的核心功能（如进程管理）保留在内核，其余转移到用户态执行。

  使接口更加清晰，便于维护