计算机操作系统（壹）

本文章是关于计算机操作系统的学习笔记，笔记主要来自王道的操作系统课程，总共有五个章节：

• 第一章：计算机操作系统（壹）
• 第二章：计算机操作系统（贰）
• 第三章：计算机操作系统（叁）
• 第四章：计算机操作系统（肆）
• 第五章：计算机操作系统（伍）

一、操作系统概述

1、操作系统定义：

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。

2、提供的功能：

（1）GUI（图形用户界面）

（2）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

（3）程序接口：程序进行系统调用的接口

3、操作系统的功能和目标：

实现对硬件机器的扩展，方便用户使用

二、操作系统特征

1、并行与并发：

并发：多个事件交替发生，宏观上是同时发生，但微观上是交替进行的

并行：多个事件在同一时刻是同时发生的

2、单核CPU和多核CPU：

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：同一时刻可同时执行多个程序，各个程序可以并行执行

3、共享：（资源共享）

互斥共享方式：一个事件段内只允许一个进程访问该资源

同时共享方式：一个时间段内由多个进程“同时”对它们进行访问（这个”同时“代表微观上可能是交替访问的）

4、虚拟：

把一个物理上的实体变为若干个逻辑上的对应物。（由并发性实现）

空分复用技术、时分复用技术

5、异步：

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，进程执行并不是一贯到底的，而是走走停停的，以不可预知的速度向前推进。

三、操作系统发展与分类

• 手工操作阶段

  • 纸带机（用户独占全机、人机速度矛盾）

• 批处理阶段

  • 单道批处理系统（外围机 —— 磁带）

  • 多道批处理系统（操作系统开始出现）

• 分时操作系统

  • 轮流处理作业

  • 不能处理紧急任务

• 实时操作系统

  • 优先处理紧急任务

  • 硬实时系统：必须在严格的时间内完成处理

  • 软实时系统：可以偶尔犯错

• 网络操作系统

• 分布式操作系统

• 个人计算机操作系统

四、操作系统的运行机制

1、内核程序与应用程序：

内核程序：负责实现操作系统的程序，多个内核程序组成内核

应用程序：普通程序员写的程序

2、特权指令和非特权指令：

CPU在设计生产时就划分了特权指令和非特权指令

特权指令：由操作系统内核调用，这些指令影响重大（如内存清零指令）

非特权指令：可由应用程序使用（如加法指令）

3、用户态和内核态：

CPU有两种状态，用户态和内核态，用于区分此时正在运行的是内核程序还是应用程序

别名：内核态=核心态=管态、 用户态=目态

4、内核态和用户态的转换：

内核态->用户态：使用一个特权指令，主动让出CPU控制权

用户态->内核态：触发中断信号则被操作系统强行夺回CPU控制权（凡是需要操作系统介入的地方，都会触发中断信号）

五、中断和异常

1、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，没有中断机制，就没有并发。

每次接收到中断信号后，CPU就会先处理中断信号的内核程序。

2、中断的分类（广义）：

内中断（异常）：与当前执行指令有关，中断信号来自CPU内部

外中断（中断）：与当前执行指令无关，中断信号来自CPU外部

大部分教材中，外中断被称作**“中断”，而内中断被称为“异常”**

3、内中断（异常）例子：

（1）试图在用户态下执行特权指令

（2）执行除法指令时除数为0（即执行非法指令，会引发一个中断信号）

（3）有时应用程序想请求操作系统内核的服务，会执行一条特殊指令——陷入指令，该指令会引发一个内部中断信号

4、外中断（中断）例子：

（1）时钟中断——由时钟部件发来的中断信号。比如两个应用程序并发运行，当其中一个应用程序占用了50ms（假设），就会发送中断信号，此时CPU先处理中断的内核程序，接着将使用权让给另外一个应用程序，如此往复。

（2）I/O中断——输入/输出设备发来的中断信号，当输入输出任务完成时，就会向CPU发送中断信号

5、中断机制的基本原理：

CPU检测到中断信号后，就会根据信号类型，去“中断向量表”中查询需要执行的中断处理程序

六、系统调用

1、概念：

系统调用是操作系统提供给应用程序的接口，应用程序可以通过系统调用来获得操作系统内核的服务，保证系统稳定性与安全性

2、系统调用与库函数的区别：

一些库函数封装了系统调用，屏蔽了一些细节，方便程序员使用

3、分类（按功能）：

设备管理、文件管理、进程控制、进程通信、内存管理

七、操作系统体系结构

1、操作系统的内核：

资源管理功能：进程管理、存储器管理、设备管理等

时钟管理、中断处理、原语

2、两种不同的结构：

内核只保留直接与硬件接触的部分，这种结构就是微内核，另一种将主要功能都包含的就是大内核

大内核：将操作系统主要功能模块都作为系统内核，运行在核心态

微内核：只把最基本的功能保留在内核

3、变态

”变态“正规说法应该是“CPU状态的转换”，微内核比大内核状态转换更频繁，因此使用微内核的性能消耗会大一些

4、外核操作系统结构：

外核可以分配未经抽象的硬件资源，比如分配连续空间时，物理上是真正连续的一片空间，而不是经过映射抽象得到的虚拟的连续空间。

八、操作系统引导

1、概念：

开机时，如何让操作系统运行起来

2、开机过程

① CPU从一个特定主存地址开始，取指令、执行ROM中的引导程序

② 将磁盘的第一块——主引导记录读入内存，执行磁盘引导程序，扫描分区表

③ 从活动分区（主分区，安装了操作系统的分区）读入分区引导记录，执行其中的程序

④ 从根目录下找到完整的操作系统初始化程序（启动管理器）并执行，完成开机的一系列动作

九、虚拟机

两类虚拟机：

第一类VMM，直接运行在硬件上

第二类VMM，运行在宿主操作系统上

像VMware这种软件程序就属于第二类VMM