【操作系统】计算机系统概述

1、操作系统特征（并发、共享、虚拟、异步）

• 并发

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。

常考易混概念——并行：指两个或多个事件在同一时刻同时发生。

注意（重要考点）：

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，多个程序可以并行地执行；

比如Intel 的第八代 i3 处理器就是 4 核CPU，意味着可以并行地执行4个程序。

• 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：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：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。

这里的“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该资源进行访问的（即分时共享）。

并发性和共享性互为存在条件解读：

如果失去并发性，则系统中只有一个程序正在运行，则共享性失去存在的意义。

如果失去共享性，则两个不同程序就不能同时访问硬盘资源，就无法实现同时工作，也就无法并发

• 虚拟

是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）是实际存在的，而逻辑上对应物（后者）是用户感受到的。

虚拟技术：

空分复用技术（如虚拟存储器技术）

时分复用技术（如虚拟处理器）

显然，如果失去了并发性，则一个时间段 内系统中只需运行一道程序，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。

• 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。

如果失去了并发性，即系统只能串行地运行各个程序，那么每个程序的执行会一贯到底。只有系统拥有并发性，才有可能导致异步性。

2、操作系统运行机制

程序是如何运行的？

程序运行的过程其实就是CPU执行一条一条的机器指令的过程，而将我们编写的C语言程序通过编译器“翻译”就得到了机器指令（当然不止这一种方式）。

• 两类程序

内核程序

应用程序：我们普通程序员写的程序就是“应用程序 ”。

• 两类指令

特权指令：操作系统内核作为 “管理者”，有时会让CPU执行一些“特权指令”，如：内存清零指令。这些指令影响重大，只允许“管理者”——即操作系统内核来使用。

非特权指令：应用程序只能使用“非特权指令”，如加法指令、减法指令等。

程序运行的过程其实就是CPU执行一条一条的机器指令的过程，在CPU设计和生产的时候就划分了特权指令和非特权指令，因此CPU执行一条指令前就能判断出其类型。

• 两种处理器状态

内核态/核心态/管态

用户态/目态

Q1:那CPU能判断指令类型，那它又是如何区分当前运行的是应用程序还是内核程序？

A1: CPU 中有一个寄存器叫程序状态字寄存器（PSW），其中有个二进制位，1表示“内核态”，0表示“用户态”。

CPU 有两种状态，“内核态”和“用户态 ”处于内核态时，说明此时正在运行的是内核程序，此时可以执行特权指令；

处于用户态时，说明此时正在运行的是应用程序，此时只能执行非特权指令。

• “变态”过程（切换处理器状态）

内核态——>用户态：通过一条特权指令修改PSW

用户态——>内核态：由中断引起，硬件自动完成

3、中断和异常

3.1 中断

中断的作用

“中断”会使CPU由用户态变为内核态，使操作系统重新夺回对CPU的控制权（强行夺回）。

“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”，那么一眼一旦应用程序上CPU运行，CPU就会一直运行这个应用程序，甚至可以说，没有“中断”，就没有操作系统）

中断的类型

• 内中断（异常）：陷阱（trap）、故障（fault）、终止（abort）

与当前执行的指令有关， 中断信号来源于CPU内部

• 外中断（狭义“中断”）：时钟中断、I/O中断请求

与当前执行的指令无关， 中断信号来源于CPU外部

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。