第一章 计算机操作系统概述

一.操作系统基本概念

1.操作系统的概念：

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，并且合理的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，他是计算机系统中最基本的系统软件。
总结三点：

• 操作系统是系统资源的管理者
• 向上层提供方便易用的服务
• 是最接近硬件的一层软件

2.操作系统的功能

2.1 操作系统作为系统资源的管理者提供的功能如下：

• 处理机调度
• 存储器管理
• 文件管理
• 设备管理

2.2 操作系统向上层提供方便易用的服务

2.2.1命令接口

• 联机命令接口 ： 说一句做一句
• 脱机命令接口 ： 说一堆做一堆

2.2.2 程序接口

即系统调用，用户通过程序间接使用

2.2.3 GUI 图形接口

用户可以直接使用 ，最终是通过调用程序接口实现的

3.操作系统的特征

并发 和 共享是操作系统两个最基本的特征，并发和共享互为存在条件

3.1 并发

并发：两个或者多个事件在同一个时间间隔内发生(宏观上同时发生，微观上交替发生)
对比一下并行：指两个或者多个事件在同一时刻同时发生
单核CPU同一时刻只能执行一个程序，各个程序只能并发执行
多核CPU同一时刻可以同时执行多个程序，多个程序可以并行执行

3.2 共享

3.2.1 互斥共享方式

一个时间段内只允许一个进程访问该资源

3.2.2 同时共享方式

允许一个时间段内多个进程“同时”进行访问(宏观上同时访问，微观上交替访问)

3.3 虚拟

虚拟技术可以归纳为：

• 时分复用技术：如处理器的分时共享
• 空分复用技术：如虚拟存储器

3.4 异步

指的是在多道程序环境下，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
只有系统拥有并发性，才可能导致异步性

4.操作系统的发展

4.1 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

4.2 单道批处理系统

特征：自动性、顺序性、单道性
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：内存中仅能够有一道程序运行，CPU有大量的时间是在空闲等待I/O完成

4.3 多道批处理系统

多道、宏观上并行、微观上串行
优点：资源利用率高 系统吞吐量大
缺点：用户响应的时间较长，不提供人机交互能力，

4.4 分时操作系统

计算机以时间片为单位轮流为各个用户/作业提供服务，各个用户可通过终端与计算机进行交互
特征：同时性 、交互性、独立性、及时性
解决了人际交互问题
缺点：不能优先处理一些紧急任务

4.5 实时操作系统

能够优先响应一些紧急任务
特点：及时性、可靠性

• 硬实时系统：必须在绝对严格的规定时间内完成处理
• 软实时系统：能够接受偶尔违反时间规定

二.操作系统运行环境

2.1 用户态 and 核心态

CPU有两种状态，“内核态” 和 “用户态”

• 处于内核态（核心态 / 管态）时，运行的是内核程序，可以执行特权指令，
• 处于用户态（目态）时，运行的是应用程序，只能执行非特权指令
  注意：CPU有一个寄存器：程序状态寄存器(PSW),其中二进制位1表示内核态 0表示用户态

内核态 -> 用户态 ：执行一条特权指令，修改PSW标志位为用户态，操作系统让出CPU使用权
用户态 -> 内核态 ：由中断引发，硬件自动完成变态过程，操作系统夺回CPU使用权

2.2 中断 and 异常

2.3 系统调用

概念：操作系统对应用程序 / 程序员提供的接口，在用户程序中，凡是与资源有关的请求，都必须经过系统调用方式向操作系统提出服务请求，并由操作系统代为完成

2.3.1 系统调用与库函数的区别

有的库函数是对系统调用的进一步封装
有的库函数则没有使用系统调用

2.3.2 系统调用分类(按功能)

• 程序的运行由用户态转到内核态，则会用到访管指令(trap指令 / 陷入指令)，访管指令是在用户态执行的，不是特权指令

• 发出系统调用请求是在用户态，而对系统调用的相应处理是在核心态下进行