【操作系统】总述

操作系统概念：
1. 总述
2. 进程管理
3. 内存管理
4. 文件管理
5. IO管理

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数据结构是内功在所有计算机软件中都会涉及，组成原理研究一台计算机怎么组织工作，操作系统研究怎么分配资源，计算机网络研究计算机间的信息交换。

用于完成系统资源管理的系统软件

1. 操作系统总述

1.1 OS是什么

提供计算机与用户接口、实现系统资源管理功能的系统软件

1.1.1 OS发展历程

a. 未配置OS的计算机系统

人工操作方式

脱机输入/输出方式

b. 单道批处理系统(单用户单任务)

系统对作业的处理成批进行，内存中始终保持一道作业

缺点：

高速CPU等待低速IO设备

c. 多道批处理系统(多用户多任务)

多道批处理系统特点

• 内存中存在多个作业

• 并发：

  宏观上并行：同一时间段，多个作业在执行

  微观上串行：同一时刻只能一个进程占用CPU

• 不提供人机交互

涉及问题

• 处理机分配
• 内存分配
• 设备分配
• 程序、数据的组织与存储

d. 分时系统(多用户多任务)

• 时间片轮转

• 支持多道批处理同时，支持人机交互

• 各用户通过各自终端请求OS为其服务

e. 实时系统

收到什么请求处理什么

• 硬实时系统：绝对实时
• 软实时系统：相对实时，允许偶尔延迟

抢占式实时系统：优先级的进程高优先

f. 网络操作系统

由计算机网络实现网络中各类资源的共享与通信

服务于计算机网络，集中控制

g. 分布式计算机系统

系统中若干计算机完成同一任务

建立在网络系统上，分布控制

1.1.2 OS功能(做什么)

a. 提供计算机与用户之间的接口

命令接口

联机命令接口(命令行)

用户在控制台或终端输入命令，向系统请求服务

将控制权交给OS的命令解释程序，解释并执行当前指令

• 用于分时或实时操作系统（用户可干预正在进行的进程）

脱机命令接口

用作业控制命令写成一份操作说明书，连同作业一起提交给系统

• 适用于批处理命令接口

程序接口(GUI)

一组程序调用组成，用户在程序中使用系统调用请求OS为其服务

b. 系统资源的管理者

合理组织、调度计算机工作和资源分配

处理机管理(多道程序环境)

• 进程控制
• 进程同步
• 进程通信
• 进程调度

存储器管理

• 内存分配
• 内存保护
• 地址映射
• 内存扩充

文件管理

• 文件存储空间管理
• 目录管理
• 文件读/写管理和保护

设备管理

• 缓冲管理
• 设备分配
• 设备处理

c. 用作扩充机器

将覆盖了软件的机器称为扩充机器或虚拟机

实现了对系统硬件资源的抽象

1.1.3 特性

多道程序设计

工作过程：

1. CPU启动通道后便去处理其他工作，通道进行IO操作

2. 通道完成输入后，通过终中断机构向CPU发出请求，CPU暂停正在执行的操作，对中断进行处理

特点：

• 间断性
• 无序性
• 共享性
• 制约性

1.2 体系结构

1.2.1 基本概念

a. 内核

时钟管理

• 提供标准系统时间
• 分时系统中的时间片管理需要时钟管理为前提

中断机制

只有一小部分属于内核，PC与PSW由中断隐指令（硬件）完成

• 保护和恢复中断现场（通用寄存器中的值）
• 将控制权转移给相关的处理程序

原语

处于OS底层，最接近硬件

具有原子性

运行时间短，调用频繁

系统控制的数据结构及处理

用于登记各数据结构的状态信息

• 作业控制块
• 进程控制块
• 设备控制块
• 各种链路、队列、缓冲区、表

b. 程序分类

• 应用程序：完成某种特定功能自编的程序
• 内核程序：实现操作系统的程序，组成OS内核

c. 特权指令

用户不可调用，只允许内核程序调用

如：

• IO指令
• 置中断指令
• 存取用于内存保护的指令
• PSW置数指令

d. 两种状态

在PSW中，用1bit标记CPU状态

内核态(管态，核心态)

CPU此时运行的是内核程序

在此状态下可以调用特权指令，系统调用

用户态(目态)

CPU此时运行的是应用程序

不可执行特权指令

内核态->用户态

执行特权指令，修改PSW标志位为 用户态

用户态->内核态

中断是OS内核重新获得CPU控制权的唯一途径

如：访管指令产生访管中断

由中断引发，硬件自动完成变态过程

OS重新拿回控制权

e.系统调用

应用程序通过系统调用请求OS内核的服务，所以使用系统调用，CPU需要从用户态切换到内核态

系统中各类共享资源都由OS内核同一管理。凡是与共享资源有关的操作，都必须通过系统调用的方式向OS提出服务请求，由OS代为完成。

系统调用与库函数

普通程序	可直接进行系统调用，也可使用库函数，有的库函数会涉及系统调用，有的不涉及
编程语言	向上提供库函数。有时会将系统调用封装成库函数，隐藏系统调用的一些细节
操作系统	向上提供系统调用，使得上层程序能请求内核服务

系统调用过程

系统调用可以理解为一种中断服务程序

1. 传递系统调用参数：编译产生若干参数和陷入指令

2. 用户程序执行陷入指令（用户态）

   通过引发内中断，将CPU使用权主动归还给OS内核程序

3. OS内核程序对系统调用请求作出相应处理（内核态）

4. 处理完成后，OS将CPU使用权归还给当前用户程序

1.2.2 微内核

具有微内核结构的OS，实际上是将时钟管理、中断处理、原语作为微内核，加上上层的处理机管理、存储器管理、文件管理、设备管理形成大内核

非内核功能运行在用户态，内核运行在内核态

若采用微内核结构，CPU需要频繁地在内核态与用户态切换，造成较大开销

1.3 运行机制

1.3.1 启动过程

1. 基本输入输出系统(BIOS)常驻内存ROM区

   固化在主板

2. BIOS将Bootloader从硬盘加载到内存

3. CPU运行引导加载程序（Bootloader）

   Bootloader完成一系列功能，将OS程序从磁盘加载到内存的RAM区

4. 系统运行OS内核程序

5. 在OS内核程序退出CPU前，执行特权指令，修改PSW中的CPU状态位进入用户态