计算机操作系统概述

概念（定义）和功能

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的分配;以提供给用户和其他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。


封装思想:操作系统把一.些丑陋的硬件功能封装成简单易用的服务，使用户能更方便地使用计算机，用户无需关心底层硬件的原理，只需要对操作系统发出命令即可

向上层提供方便易用的服务：

1. GUI:图形化用户接口(Graphical User Interface)
   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、参数。
   例子:在Windows操作系统中，删除-一个文件只需要把文件“拖拽”到回收站即可。.

2. 联机命令接口实例(Windows系统)联机命令接口=交互式命令接口

3. 脱机命令接口实例(Windows 系统)脱机命令 接口=批处理命令接口
   使用windows系统的搜索功能，搜索C盘中的*. bat文件，用记事本任意打开一个

4. 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。

操作系统的特征

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。
易混概念——并行: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。

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。

1. 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
2. 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（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)）

虚拟

虚拟是指把一个物理上的实体变为若千个逻辑上的对应物。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。

虚拟技术中的“空分复用技术”。虚拟存储器技术。
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

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。

由于并发运行的程序会争抢着使用系统资源，而系统中的资源有限，因此进程的执行不是一贯到底的，而是走走停停的，以不可预知的速度向前推进。

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。

操作系统的发展与分类

手工操作阶段

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

主要优点:缓解了一定程度的人机速度矛盾，资源利用率有所提升。

主要缺点:内存中仅能有一道程序运行，只有该程序运行结束之后才能调入下一-道程序。CPU有大量的时间是在空闲等待I/0完成。资源利用率依然很低。

多道批处理系统

操作系统正式诞生，用于支持多道程序并发运行。

主要优点: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和其他资源更能保持“忙碌”状态，系统吞吐量增大。

主要缺点: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)

分时操作系统

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。

主要优点:用户请求可以被即时响应，解决了人机交互问题。允许多个用户同时使用一台计算机，并且用
户对计算机的操作相互独立。感受不到别人的存在。

主要缺点:不能优先处理一些紧急任务。操作系统对各个用户/作业都是完全公平的，循环地为每个用户/
作业服务一个时间片，不区分任务的紧急性。

实时操作系统

主要优点:能够优先响应一些紧急任务， 某些紧急任务不需时间片排队。.

在实时操作系统的控制下，计算机系统接收到外部信号后及时进行处理，并且要在严格的时限内处理完事
件。实时操作系统的主要特点是及时性和可靠性

操作系统的运行机制

内核程序和应用程序

我们普通程序员写的程序就是“应用程序”
微软、苹果有一帮人负责实现操作系统，他们写的是“内核程序
由很多内核程序组成了“操作系统内核”，或简称“内核.(Kernel)

特权指令和非特权指令

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

应用程序只能使用“非特权指令”，如:加法指令、减法指令等

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

核心态和用户态

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

内核态→用户态:执行一条特权指令——修改PSW的标志位为“用户态”，这个动作意味着操作系统将主动让出CPU使用权

用户态>内核态:由中断引发，硬件自动完成变态过程，触发中断信号意味着操作系统将强行夺回CPU的使用权

中断和异常

中断的作用

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

在合适的情况下，操作系统内核会把CPU的使用权主动让给应用程序(进程管理相关内容)
“中断”是让操作系统内核夺回CPU使用权的唯一途径

外中断与内中断（异常）

内中断（异常、例外）：与当前执行的指令有关，中断信号来源于CPU内部
例子1:试图在用户态下执行特权指令
例子2:执行除法指令时发现除数为0
例子3:有时候应用程序想请求操作系统内核的服务，此时会执行一条特殊的指令——陷入指令，该指
令会引发一个内部中断信号

外中断（中断）：与当前执行的指令无关，中断信号来源于CPU外部
例子1:时钟中断一一由时钟部件发来的中断信号（实现并发）
例子2:I/O中断——由输入/输出设备发来的中断信号

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。

系统调用

操作系统作为用户和计算机硬件之间的接口，需要向上提供一些简 单易用的服务。主要包括命令接口和程序接口。其中，程序接口由一组系统调用组成。

“系统调用”是操作系统提供给应用程序程序员/（编程人员)使用的接口，可以理解为一种可供应用程序调用的特殊函数，应用程序可以通过系统调用来请求获得操作系统内核的服务

应用程序通过系统调用请求操作系统的服务。而系统中的各种共享资源都由操作系统内核统-掌管，因此凡是与共享资源有关的操作(如存储分配、I/0操作、文件管理等)，都必须通过系统调用的方式向操作系统内核提出服务请求，由操作系统内核代为完成。这样可以保证系统的稳定性和安全性，防止用户进行非法操作。