操作系统学习笔记（1. 操作系统概述）

个人用书：操作系统教程 第五版 费翔林
学习视频： 王道计算机考研 操作系统.

操作系统概述

操作系统的定义

操作系统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的分配；以提供给用户和其他软件方便的接口和环境。

操作系统的四个特征

！并发性和共享性互为存在条件

1.并发

指两个或多个事件在同一时间间隔发生。宏观上同时，微观上分时。

注意，并发和并行是有区别的。
单核cpu同一时刻只能执行一个程序，各个程序并发执行。多核cpu同一时刻可以同时处理多个程序，多个程序并行执行。

2.共享

资源共享，指计算机中的资源可以给内存中多个并发执行的进程共同使用。

3.虚拟

把一个物理上的实体变成若干个逻辑上的对应物。物理实体是实际存在，逻辑上的对应物是用户感受到的。（虚拟存储器技术，第三章重点讲解）

4.异步

多道程序环境下，允许多个程序并发执行，资源有限，进程是走走停停的。

操作系统的几个阶段

1.手工操作阶段

缺点：用户独占全机，人机速度矛盾导致资源利用率低。

2.批处理阶段

（1）单道批处理系统

磁带放入外围机，可以由程序监督程序的读取。

监督程序负责作业的输入，输出。

优点：缓解了一定程度的人机矛盾，但是利用率还是不够高。

缺点：内存只能运行一道程序，cpu大量时间等待。

（2）多道批处理系统（操作系统开始出现）

每次读入多道程序，程序可以并发运行。

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大量时间忙碌，系统吞吐量大。

缺点：用户响应时间长，没有人机交互功能。

3.分时操作系统

计算机以时间片为单位轮流为各个用户服务

优点：用户请求可以及时响应，解决的了人机交互问题。允许多个用户同时使用一台计算机，感受不到别人的存在。

缺点：不能优先处理紧急任务。

4.实时操作系统

优点：能优先响应一些紧急任务，某些任务不用排队。有及时性和可靠性。

分为硬实时和软实时。

硬实时

导弹，自动驾驶等，必须在严格的规定时间内完成。

软实时

12306火车订票系统等，偶尔能违反时间规定。

操作系统运行机制

两种指令

指令：cpu能识别，执行的最基本命令

特权指令

内核程序中：操作系统内核作为管理者，有时候会让cpu执行特权指令。如：内存清零

非特权指令

应用程序中：加减乘除等。

两种处理器状态

为了让cpu区别执行的是内核程序还是应用程序，cpu有一个程序状态寄存器（PSW）其中有个二进制位可以分辨。

内核态：这个时候可以执行特权指令

用户态：只能执行非特权指令

当cpu处于用户态的时候遇到特权指令，会产生中断信号，立即变为内核态。处理完之后，cpu把使用权交给别的应用程序。

中断和异常

中断的作用

“中断”是让操作系统内核夺回cpu使用权的唯一途径。

内核——用户：执行一条特权指令，修改PSW的标志位为用户态，cpu主动让出使用权。

用户——内核：由“中断”引发，硬件自动完成变态过程，夺回cpu使用权。

中断的类型

内中断（也称作异常）：1.陷阱，陷入。 2.故障。3.终止。

外中断（也称作中断）：1.时钟中断。 2.i/o中断请求。

几个例子：

内：
陷入指令：系统调用，应用程序执行陷入指令让cpu帮它完成一些工作。

外：
时钟中断——由时钟部件发来的中断信号。

！要分辨是内中断还是外中断，只需要看是否和cpu执行的指令有关。

中断机制基本原理

不同信号，需要不同的中断处理程序来处理。

系统调用

操作系统作为用户和硬件之间的接口，需要向上提供一些简单易用的服务。包括了给用户使用的命令接口，GUI和给应用程序使用的程序接口。
###什么功能需要用到系统调用?
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由操作系统统一保管。以下操作都是系统调用的方式完成。保证了系统的稳定性和安全性。

1. 设备管理
2. 文件管理
3. 进程控制
4. 进程通信
5. 内存管理

系统调用的过程

传递参数（调用类型）——参数（其他参数）——陷入指令——执行请求的系统调用（转变为核心态完成）——返回应用程序