操作系统---操作系统的介绍_道系统操作系统-优快云博客

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一、操作系统的概念（定义）

操作系统（Operating System，OS）是指控制和管理整个计算机系统的硬件和软件资源，并合理地组织调度计算机的工作和资源分配；以提供给用户和其它软件方便的接口和环境；它是计算机系统中最基本的系统软件。
提炼：
1.操作系统是系统资源的管理者。
2.向上层提供方便易用的服务。
3.是最接近硬件的一层软件。

二、操作系统的功能和目标

1.作为系统资源的管理者（向下）

提供的功能：处理机管理、存储器管理、文件管理、设备管理
目标：安全、高效

2.向上层提供方便易用的服务（向上）

(a).GUI：图形化用户接口（Graphical User Interface）（直接给用户使用）
早期：操作系统提供联机命令接口（交互式命令接口）和脱机命令接口（批处理命令接口）
特点：前者是用户说一句，系统跟着做一句。后者是用户说用户说一堆，系统跟着做一堆。
而使用GUI后，用户可以使用形象的图形界面进行操作，而不再需要记忆复杂的命令和参数。
(b).程序接口（给软件和程序员使用）：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。
系统调用类似于函数调用，是应用程序请求操作系统服务的唯一方式。

3.需要实现对硬件机器的拓展

通常把覆盖了软件的机器称为扩充机器，又称之为虚拟机。

三、操作系统的特征

1.并发

概念：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。
区别并行：并行是指两个或多个事件在同一时刻同时发生。
操作系统的并发性指计算机系统中“同时”运行着多个程序，这些程序宏观上看是同时运行着的，而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”而出现的。因此，操作系统和程序并发是一起诞生的。

注意（重要）：
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，多个程序可以并发地执行。

2.共享

概念：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。
两种共享方式：
(a).互斥共享方式：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。
(b).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。
所谓的“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）。

3.虚拟

概念：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）是实际存在的，而逻辑上对应物（后者）是用户感受到的。
两种技术：
(a).时分复用技术（如虚拟处理器）
(b).空分复用技术（如虚拟存储器技术）

4.异步

概念：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。

四、操作系统的发展与分类

1.手工操作阶段

利用纸带机输入程序，速度特别慢。
缺点：用户独占全机，人机速度矛盾导致资源利用率极低。

2.批处理阶段

(a).单道批处理系统
引入脱机输入/输出技术（用外围机+磁带完成），并由监督程序负责控制作业的输入、输出。
优点：缓解了一定程度的人机速度矛盾，资源利用率有所提升。
缺点：内存中只能有一道程序运行，只有该程序运行结束之后才能调入下一道程序，CPU有大量的时间是在等待I/O完成。资源利用率依然很低。

(b).多道批处理系统（操作系统诞生）
每次往内存中读入多道程序。
优点：多道程序并发执行，共享计算机资源，资源利用率大幅提升，CPU和其它资源更能保持“忙碌”状态，系统吞吐量增大。
缺点：无人机交互功能。用户提交作业后，中间无法控制自己的作业执行，无法调试程序。

3.分时操作系统

计算机以时间片为单位轮流为各个用户/作业服务，各个用户可通过终端与计算机进行交互。
优点：解决了人机交互问题。
缺点：不能优先处理一些紧急任务。

4.实时操作系统

计算机收到外部信号后及时处理，并且要在严格的时限内处理完成事件。实时操作系统的主要特点是及时性和可靠性。
分类：
(a).硬实时操作系统
必须在绝对严格的规定时间内完成处理。
(b).软实时操作系统
能接受偶尔违反时间规定。

5.网络操作系统

伴随着计算机网络而来，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和各台计算机之间的通信。（部署在服务器上的）

6.分布式操作系统

特点是分布性和并行性。系统中各个计算机地位相同，由它们并行、协同完成任务。

7.个人计算机操作系统

Windows某某版本，MacOS等

五、操作系统的运行机制

1.两种指令

(a).特权指令
(b).非特权指令

2.两种处理器状态

(a).核心态（管态/核心态）
(b).用户态（目态）

3.两种程序

(a).内核程序
(b).应用程序

过程：
CPU上会运行两种程序，一种是操作系统内核程序，一种是应用程序。
CPU中有一个寄存器叫程序状态字寄存器（PSW），1表示内核态，0表示用户态。
CPU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（当然也可以执行非特权指令）。
CPU处于用户态时，说明此时正在执行的是应用程序，此时只能执行非特权指令。
内核态——>用户态：执行一条特权指令，修改PSW为用户态，操作系统让出CPU使用权。
用户态——>内核态：由中断引发，硬件自动完成切换状态过程，触发中断信号意味着操作系统强行夺回操作系统的使用权。

六、中断和异常

1.中断的作用

中断会使CPU由用户态变为核心态，使操作系统夺回CPU的控制权。
中断是让操作系统内核夺回CPU使用权的唯一途径。
没有中断机制，就没有多道程序并发。

2.中断的类型

按照中断来自CPU内部外部分为：
(a).内中断（异常）：与当前执行的指令有关
陷阱、陷入（trap）：陷入指令（trap），由应用程序故意引发。（注意：陷入指令不是特权指令，而且是执行在用户态的指令，执行结束后传递中断信号并进行处理）
故障（fault）：由错误条件，可能被内核程序修复，中断处理完成后返还CPU给应用程序。如缺页故障。
终止（about）：由致命错误引发，无法修复，中断处理完成后不返还CPU使用权，直接终止应用程序。如分数运算分母为0，非法使用特权指令。

(b).外中断（狭义的中断）：与当前执行的指令无关
时钟中断
I/O中断请求