操作系统（一）—— 计算机系统概述
一、计算机系统概述
1. 操作系统的基本概念
1）结构
2）定义
① 负责管协调硬件、软件等计算机资源的工作
② 为上层的用户和应用程序提供简单易用的服务
③ 一种系统软件
3）功能和目标
① 资源的管理者：处理器管理、存储机管理、文件管理、设备管理
② 向用户提供服务：
a. 命令接口：联机命令接口、脱机命令接口
b. 程序接口：由一组系统调用组成
c. GUI用户图像界面(最终还是通过调用程序接口实现)
③ 对硬件机器的扩展
4） 操作系统的四个特征
① 并发
a. 概念：两个或多个事件在同一时间间隔内发生。宏观上是同时的，微观上是交替发生的
b. 操作系统的并发指的是 计算机系统中同时存在多个运行着的程序
② 共享
a. 概念：资源共享，系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程共同使用。
b. 分类：互斥共享方式、同时共享方式。【注】“同时”往往是宏观的、而在微观上是交替的（分时共享）
c. 并发与共享的关系：并发和共享是相互依赖的，二则相辅相成
③ 虚拟
a. 概念：把一个物理上的实体，变为若干个逻辑上的对应物
b. 如“空分复用”、“时分复用”
【注】虚拟有意义的前提是并发
④ 异步
概念：多道程序下，允许多个程序并发执行，但是由于资源有限，进程的执行不是一贯到底，每个进程是走走停停，以不可预知的速度推进。
【注】异步有意义的前提也是并发
⑥ 考点
a. 并发与并行的区别
b. 并发和共享互为条件，没有并发和共享，虚拟和异步就没有意义，故并发和共享是操作系统的两个最基本特征。
2. 操作系统的发展与分类
1）手工操作阶段
这时候还没有操作系统。
缺点：用户独占主机，资源利用率低、CPU切换依赖人工，利用率低
2）批处理阶段
① 单道批处理系统
a. 目的：解决人机矛盾及CPU和IO设备速率不匹配的矛盾
b. 特征：自动性、顺序性、单道性
② 多道批处理系统
a. 目的：为了进一步提高资源利用率和系统的吞吐量
b. 特征：多道、宏观上并行、微观上串行
【注】多道批处理系统不采用某些机制来提高某一技术方面的瓶颈问题，而是让各个组成部分尽量去“忙”，即：当一道程序因IO请求而阻塞时，CPU就立即去运行另一道程序。
c. 多道批处理系统需解决的问题：
i. 如何合理分配处理器
ii. 多道程序的内存分配问题
iii. IO设备怎么分配
iv. 如何保证多道程序的安全性和一致性
d. 批处理系统优缺点
i. 优点：CPU和资源利用率高；系统吞吐量大
ii. 缺点：用户响应时间长较长；无交互能力，用户不知道程序运行状态，也不能控制计算机
3）分时操作系统
① 原理：为了提高响应速率，将处理器的运行时间分为很短的时间片，按时间片轮流把处理器分给各个联机任务
② 特征：同时性、交互性、独立性、及时性
4）实时操作系统
① 原理：某个时间限制内，完成某些紧急任务而不需要时间片排队
② 分类：硬实时系统(飞机的飞行控制系统)、软实时系统(订票系统)
③ 特征：及时性、可靠性
5）网络操作系统
① 原理：通过网络将多台计算机有机结合
② 特点：网络中的资源共享、每台计算机通过网络通信
6）分布式操作系统
① 原理：多台计算机相互协同完成同一任务。
② 特征：系统中的任意两台计算机通过网络通信；系统中的每台计算机的地位一样，没有主从之分；每台计算机资源共享；每台计算机都是一个子系统；任何工作都可以分布在几台计算机中并行工作，系统完成。
7）个人计算机操作系统
3. 操作系统运行环境
1）运行机制
① 概念：
a. 指令
i. 概念：处理器能识别和执行的最基本的命令
ii. 分类：非特权指令、特权指令(不允许用户程序使用)
b. CPU状态(由寄存器标记)
i. 用户态（目态）：此时只能执行非特权指令
ii. 核心态（管态）：此时两种指令都能执行
c. 程序分类
i. 应用程序
ii. 内核程序
② 操作系统的内核结构
③ 操作系统的体系结构
分为大内核和小内核体系
2）中断和异常
① 中断机制的诞生
a. 目的：为了实现多道程序并发执行，引入了中断机制
b. 原理：发生中断就意味着需要操作系统介入，开展管理工作
② 中断的概念和作用
a. 中断发生时，CPU立即进入核心态
b. 中断发生后，当前运行的进程暂停运行，由操作系统内核对中断进行处理
c. 对于不同的中断信号，操作系统会有不同的处理
【作用】只要发生了中断，就意味着操作系统介入开展管理工作。由于操作系统的管理工作(如进程切换、分配IO设备等)需要使用特权指令，CPU要从用户态转变为核心态。中断可以是CPU从用户态切换到核心态（且是唯一途径），使操作系统获得计算机的控制权。有了中断机制，才能实现多道程序并发执行。
③ 中断的分类（根据信号的来源：CPU内部还是外部，与当前执行的指令是否有关）
a. 内中断（异常、陷入、例外）：自愿中断(指令中断)、强迫中断(硬件故障或软件中断)
b. 外中断：外设请求、人工干预
④ 外中断的处理
a. 每条指令执行结束后，CPU检查是否有外部中断信号
b. 若有外部中断信号，则需要保护被中断进程的CPU环境
c. 根据中断信号类型转入相应的中断处理程序
d.处理好后，恢复原进程的CPU环境并退出中断，返回原进程下继续执行
3）系统调用
① 概念和作用
应用程序通过系统调用请求操作系统的服务。系统中的各种共享资源都由操作系统统一掌管，因此在用户程序中，凡是与资源有关的操作（如存储分配、/O操作、文件管理等），都必须通过系统调用的方式向操作系统提出服务请求，由操作系统代为完成。
这样可以保证系统的稳定性和安全性，防止用户进行非法操作。
【注】系统调用 相关处理涉及到系统资源，故需要在特权指令，因此系统调用的相关处理实在核心态下完成的
② 系统调用和库函数的区别
③ 系统调用背后的进程
a. 传递系统调用参数
b. 执行陷入指令(int -> interrupt)，CPU从用户态切换到核心态
c. 执行系统调用相应的服务程序
d. 执行结束后，切换到用户态，再返回用户程序
【注】系统调用发生在用户态，系统调用的处理发生在核心态
