绪论

操作系统概念

操作系统

操作系统是：

1. 计算机系统资源的管理者，组织、调度、分配软硬件资源；
2. 作为用户与计算机硬件之间的接口，向上层（用户）提供服务；
3. 最接近硬件的软件，即计算机系统中最基本的系统软件。

扩展：系统软件和应用软件

系统软件：OS、数据库管理系统、语言处理程序、服务性程序、标准库程序；

应用软件：用户编写的程序、驱动程序、辅助设计软件、实时控制软件

操作系统特征

操作系统基本特征包括并发、共享、虚拟、异步。最基本特征是并发和共享，两者互为存在条件。

1. 并发

   1. 并发是同一时间间隔发生。如单核CPU。

      并行是同一时刻发生。如多核CPU。

   2. 操作系统的并发性通过分时得以实现，需要中断的支持。

2. 共享

   1. 互斥共享方式，如打印机，磁带。该共享方式称为互斥式共享，其所需的资源在一段时间内只允许一个进程访问，称之为临界资源或独占资源。
   2. 同时访问方式，如磁盘设备，通常是宏观上的同时访问，微观上分时访问，称分时共享。

3. 虚拟

   1. 一个物理上的实体变为若干逻辑上的对应物。虚拟通过并发性实现。
   2. 时分复用技术：将一个物理上的CPU虚拟为多个逻辑上的CPU，称虚拟处理器；
   3. 空分复用技术：从逻辑上扩充存储器的容量，称之为虚拟存储器。

4. 异步

   1. 多个并发执行的程序以不可预知的速度向前推进，称之为进程的异步性。
   2. 需要保证运行环境相同时产生的结果也相同。

操作系统的目的与功能

1. 计算机角度来说，操作系统是计算机系统资源的管理者

   处理器管理、存储管理、文件管理、设备管理

2. 用户角度来说，操作系统是用户与计算机硬件系统之间的接口

   1. 命令接口，直接给用户使用的接口，包括

      1. 联机命令接口，或交互式命令接口，用于分时或实时系统。

         例如终端。

      2. 脱机命令接口，或批处理命令接口，用于批处理系统。

         类似可执行脚本。

   2. 程序接口，由一组系统调用（广义指令）组成。用户通过系统调用来请求系统的服务。

   3. 注：也可将接口分为直接给用户使用的接口与通过程序间接调用的接口，直接给用户使用的包括命令接口和GUI图形接口，通过程序间接调用的是程序接口；与此同时GUI图形接口也会调用程序接口。

3. 操作系统用作扩充机器

   仅包括硬件的计算机称逻辑，经过操作系统扩充后方可使用。覆盖了软件的机器称之为扩充机器或虚拟机。

操作系统的发展与分类

手工操作阶段

1. 用户独占全机，资源利用率低；
2. 人机速度矛盾，CPU等待手工操作，CPU利用不充分。

批处理阶段

1. 在此阶段操作系统开始出现。
2. 为解决下列矛盾而产生：
   1. 人机速度矛盾
   2. CPU、IO设备速度不匹配的矛盾
3. 主要缺点：缺乏交互性。

单道批处理系统

优点：解决了人机速度矛盾；

缺点：未解决CPU与IO设备之间的矛盾。

特点：自动性、顺序性、单道性。

多道批处理系统

优点：解决了人机速度矛盾、CPU与IO设备之间的矛盾；资源利用率高。

缺点：用户响应的时间长，不能提供人机交互功能。

特点：多道、宏观上并行、微观上串行。

分时操作系统

分时是将处理机的时间分成很短的时间片，轮流上处理机运行。

优点：解决了人机交互的问题（用户的请求可以被及时响应）。

缺点：不能处理紧急任务（未区分各任 务之间的优先级）。

实时操作系统

优点：在严格时限内作出处理，利于完成紧急任务。

特点：及时性和可靠性。

注意：对于实时操作系统，资源利用率不是需要重点考虑的因素。

分类：

1. 硬实时操作系统

   飞行控制系统、导弹发射系统

2. 软实时操作系统

   股票交易系统、铁路订票/铁路信号系统、银行管理系统、门禁系统

3. 非实时操作系统

   干扰项：计算机辅助设计（CAD）系统、办公自动化系统等

其他操作系统

1. 网络操作系统

   实现网络中资源共享和计算机间的通信。

2. 分布时计算机系统

   特点：分布性、并行性。与网络操作系统的本质不同是：分布式操作系统中的若干计算机相互协同完成同一任务。（所有计算机地位相当）

3. 个人计算机操作系统

操作系统的运行环境

运行机制

CPU执行两种程序，一种是操作系统内核程序，另一种是（系统外层的）应用程序。

特权指令=广义指令；

管态=内核态，运行内核程序；

目态=用户态，运行应用程序；

内核态→用户态：执行特权指令修改PSW（程序状态字寄存器）；

用户态→内核态：由中断（外中断）引发，或由异常（内中断）引发，硬件自动变态；

1. 时钟管理

   置时钟指令是特权指令，读时钟指令是非特权指令。

2. 中断机制

   中断是操作系统必须提供的功能；并发、多道需要中断的支持。

3. 原语

   运行具有原子性，不可中断。

中断与异常

定义

广义来说，操作系统内核夺回CPU使用权的唯一途径是中断。

狭义来说，中断分为外中断和内中断，其中外中断称作中断，内中断称作异常。

中断具体是内还是外，取决于中断信号的来源，来自CPU内部称内中断，来自CPU外部称外中断。

中断与异常是从用户态到内核态的途径。

通常异常会引起中断，但中断不一定是由异常引起的。

分类

1. 内中断/异常

   异常不能被屏蔽，一旦出现必须立即处理。

   1. 自愿中断、陷入、陷阱——指令中断（如访管指令，它不是特权指令）

   2. 强迫中断

      1. 硬件故障

         由错误条件引起，可能被内核程序修复，修复后内核会将CPU使用权还给应用程序。例如缺页故障。

      2. 软件终止

         致命错误引起，不可被修复。应用程序执行结束。如整数除以0，非法使用特权指令等。

2. 外中断/中断

   1. 时钟中断
   2. IO中断请求

中断实现原理

1. 硬件完成部分（中断隐指令）

   1. 关中断

   2. 保存断点

      主要是将断点：程序计数器PC 保存

   3. 引出中断服务程序

2. 操作系统完成部分（内核态，进入中断服务程序）

   1. 保存现场和屏蔽字

      保存程序状态字寄存器PSW和通用寄存器的内容。

      特别地，子程序调用不需要保存。

   2. 开中断

   3. 执行中断服务程序

      CPU根据中断类型查询中断向量表，根据类型使用中断处理程序处理中断。

   4. 关中断

   5. 恢复现场和屏蔽字

   6. 开中断

   7. 中断返回

系统调用

系统调用是操作系统向上层（编程语言或用户）提供的一系列操作的接口。

请求系统调用（用户态）→执行系统调用（内核态）→返回（用户态）。

这样做的目的是：用户不能直接执行对系统影响非常大的操作，保证了系统的稳定性和安全性。

表：各种指令的区别。

表：系统调用与库函数的区别

操作系统的体系结构

1. 大/单/宏内核
   1. 优点：高性能
   2. 缺点：庞大，结构混乱，难以维护
   3. 典例：Linux，Unix
2. 微内核
   1. 优点：可靠，清晰
   2. 缺点：性能低下（因需要频繁切换用户态和内核态）
   3. 典例：Windows NT