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王道操作系统 第一章 – 计算机系统概述
目录
操作系统概念
操作系统是计算机系统中最基本的系统软件，目标是向上层提供方便易用的服务。
操作系统是系统资源的管理者
- 提供的功能：处理机管理、存储器管理、文件管理、设备管理
- 目标：安全、高效
命令接口
联机命令接口：交互式命令接口，例如 cmd
脱机命令借口：例如批处理 bat 文件
程序接口：可以在程序中进行 系统调用（即广义指令）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调用
操作系统四个特征
1、并发
并发 是指多个事件在 同一时间间隔 内发生（微观上交替），并行是指多个事件在 同一时刻 发生
2、共享
互斥共享方式（摄像头）、同时共享方式（扬声器）。没有并发性，共享性就没有存在的意义。并发和共享互为存在条件，也是最基本的两个特征。
3、虚拟
虚拟存储器技术（空分复用技术），虚拟处理器技术（时分复用技术）。没有并发性，虚拟性就没有存在的意义。
4、异步
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，才有可能导致异步性。
操作系统的发展与分类
1、手工操作阶段（纸带机）
用户独占全机、人机速度矛盾导致资源利用率极低
2、批处理阶段：单道批处理系统（脱机输入/输出技术）
由监督程序控制作业的输入、输出，资源利用率有一定的提升
3、多道批处理系统（多个程序并发运行）
操作系统正式诞生；没有人机交互功能
4、分时操作系统
计算机以时间片为单位，为各个系统轮流提供服务，解决了人机交互问题
5、实时操作系统
硬实时系统、软实时系统
6、网络操作系统、分布式操作系统、个人计算机操作系统…
操作系统的运行机制
两种指令
CPU在设计和生产的时候，就划分了特权指令、非特权指令。因此CPU执行一条指令前，就能判断出其类型。
- 特权指令：例如内存清零指令，只允许操作系统内核来使用
- 非特权指令：应用程序只能使用非特权指令，例如加法指令、减法指令
两种处理器状态
CPU 中有 程序状态寄存器 PSW，其中用 1 表示内核态，用 0 表示用户态。
- 内核态（管态）：CPU处于内核态时，说明正在运行的是内核程序（此时可以执行特权指令）
- 用户态（目态）：说明正在运行的是用户程序
转变方式：
- 内核态 -> 用户态：一条修改 PSW 的特权指令
- 用户态 -> 内核态：由中断引起，硬件自动完成
两种程序
内核程序
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。
中断的类型
- 内中断（异常）：与当前执行的指令有关，中断信号来源于CPU内部
- 例如，非法除0，缺页
- 例如，用户程序想请求操作系统内核的服务，会执行陷入指令。系统调用就是通过 trap 指令完成的。
- 外中断：与当前执行的指令无关，中断信号来源于CPU外部。CPU在每一条指令执行结束时，都会例行检查是否有外中断信号需要处理
- 例如，来自时钟部件 / IO 设备的中断信号
系统调用
凡是与共享资源有关的操作，都必须通过系统调用完成，这样保证系统的稳定性和安全性。
- 设备管理：完成设备的 请求 / 释放 / 启动
- 文件管理：完成文件的 读 / 写 / 创建 / 删除
- 进程控制：进程的 创建 / 撤销 / 阻塞 / 唤醒
- 进程通信：进程之间 消息传递 / 信号传递
- 内存管理：内存的 分配 / 回收
大内核 / 微内核
1、大内核（Linux，Unix）
将操作系统的主要功能模块都作为系统内核，运行在核心态
优点：高性能
缺点：内核代码庞大，结构混乱，难以维护
2、微内核（Windows NT）
只把最基本的功能保留在内核
优点：内核功能少，结构清晰，方便维护
缺点：需要频繁在用户态、内核态之间切换，性能低
