操作系统第一章：计算机系统概述

最新推荐文章于 2025-05-09 18:24:41 发布

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分类专栏：操作系统文章标签：操作系统

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本文详细介绍了操作系统的概念、功能和目标，包括资源管理、用户接口和系统调用。阐述了操作系统的四个特征：并发、共享、虚拟和异步，并讨论了其发展与分类，如批处理、分时和实时操作系统。此外，还讲解了操作系统的运行机制，如特权指令、用户态与核心态，以及中断和异常处理。系统调用的概念、作用和过程也被深入解析，它是应用程序与操作系统交互的重要方式。

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文章目录

操作系统的概念

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用户和操作系统直接也有接口（不用软件也可以实现一部分功能）

操作系统的功能和目标

1.作为系统资源的管理者

补充：执行一个程序前需要将该程序放到内存中，才能被CPU处理。

2.向上层提供方便易用的服务

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GUI：图形化用户接口（“拖拽”到回收站即可删除一个文件）

联机命令接口：交互式命令接口（说一句左一句）

脱机命令接口：批处理命令接口（说一堆做一堆）

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程序接口：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。

tips：程序接口=系统调用=广义指令

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3.最接近硬件的层次

实现对硬件机器的扩展，安装操作系统可以提供更多功能，使机器用起来更方便

通常把覆盖了软件的机器称为扩充机器，又称之为虚拟机

小结

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操作系统的四个特征

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1.并发

并发：看上去是同时发生的，其实是交替发生的（宏观上同时发生，微观上交替发生）
并行：几个事件同时发生
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2.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。
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互斥共享：使用QQ和微信视频。同一时间段内摄像头只能分配给其中一个进程。

同时共享方式：使用QQ发送文件A，同时使用微信发送文件B。宏观上看，两边都在同时读取并发送文件，说明两个进程都在访问硬盘资源，从中读取数据。微观上看，两个进程是交替着访问硬盘的。

并发和共享的关系

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并发和共享互为存在的条件，这两个也是操作系统两个最基本的特征

3.虚拟

就是通过一定的技术，本来没有那么多资源，但是可以让用户感觉到有足够的资源

背景知识：一个程序需要放入内存并给它分配CPU才能执行

虚拟技术中的时分复用技术：微观上处理机在各个微小的时间段内交替着为各个进程服务
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4.异步

异步是指多个程序并发执行，但是某个关键的资源有限，比如A用了那么B就要停下来等A用完了把资源释放出来，B才能继续进行。
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只有系统拥有并发性，才有可能导致异步性。（都不抢资源了，直接一头进行到底）

小结

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操作系统的发展与分类

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每个阶段的发展，主要优点都是对上一个阶段缺点的改良

1.手工操作阶段

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就是人拿纸戳孔孔（010101这种机器语言）放到纸带机里面去读，读完之后机器再打出结果给人看
缺点：人处理的时候太慢了（打孔这些），纸带机输入输出也慢，而机器一会就搞定了，这样就导致资源很浪费（机器在那等半天）

2.批处理阶段

单道批处理系统

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用外围机+磁带的方式，比纸带机的速度快，因此提高了一些速度

缺点：CPU大量时间都在等待I/O完成

多道批处理系统

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多道批处理系统——“标志操作系统的诞生”

多道程序并发执行，输入了J1后就开始输入J2，同时开始计算J1…这样使各个资源充分利用起来

缺点：用户响应时间长，没有人机交互功能（用户提交自己的作业之后就只能等待计算机处理完成，中间不能控制自己的作业执行。eg：无法调试程序/无法在程序运行过程中输入一些参数）

3.分时操作系统

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4.实时操作系统

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小结

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操作系统的运行机制

补充知识：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（高级语言会被编译器翻译成一条条机器指令）

机器指令就是机器看得懂的语言

1.特权指令、非特权指令

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2.内核程序、应用程序

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特权指令只能内核程序执行，而应用程序只能执行非特权指令（内核程序是高层）

3.用户态、核心态

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处理器的两种状态，内核程序运行在核心态里，应用程序运行在用户态里。
两者经常切换（一会用内核程序执行特权指令，一会要用应用程序执行非特权指令）

4.操作系统的内核

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操作系统内核需要运行在内核态
操作系统的非内核功能运行在用户态

大内核、微内核

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小结

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中断和异常

1.中断的作用

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比如说一个多道批处理系统，如果不能中断，那么一个程序就要运行到结束其他的程序才能运行。
而有中断，那么J1输入结束后通过中断把控制权交给操作系统（先把中断前的各种数据保存好，方便中断结束后继续执行），让它分配资源给J2的输入，也就是说，中断才可以让各个程序并发实现。
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