01.操作系统概述

概述

概念

• 操作系统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​

功能

• 作为系统资源的管理者

  • 提供的功能
    • 处理机管理
    • 存储器管理
    • 文件管理
    • 设备管理
  

• 向上层提供方便易用的服务

  • GUI
  • 命令接口
    • 联机命令接口
    • 脱机命令接口
  • 程序接口: 可以在程序中进行系统调用来使用程序接口. 普通用户不能使用程序接口, 只能通过程序代码间接使用

• 作为最接近硬件的层次

  • 对硬件机器的拓展

特征

• 并发: 指两个或多个事件在同一时间间隔内发生. 宏观上同时发生, 微观上交替发生

• 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

  

• 虚拟: 把一个物理上的实体变为若干个逻辑上的对应物. 物理实体是实际存在的, 而逻辑上的对应物是用户感受到的

  • 空分复用技术(虚拟存储技术)
  • 时分复用技术(虚拟处理器技术)

• 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

发展与分类

• 手工操作阶段: 用户独占全机, 人机速度矛盾导致资源利用率极低

• 批处理阶段

  • 单道批处理系统
  • 多道批处理系统: 无人机交互

• 分时操作系统: 不能优先处理紧急任务

• 实时操作系统

运行机制

中断和异常

• 作用

  • 中断是让操作系统内核夺回CPU使用权的唯一途径
  • 使CPU从用户态变为内核态

• 类型

  • 内中断(异常, 例外): 与当前执行的指令有关, 中断信号来源于CPU内部
    • 陷阱, 陷入(trap): 由陷入指令引发, 是应用程序故意引发的
    • 故障(fault): 由错误条件引起的, 可能被内核程序修复, 内核程序修复故障后会把CPU使用权还给应用程序, 让它继续执行下去, 如: 缺页故障
    • 终止(abort): 由致命错误引起的, 内核程序无法修复该错误, 因此一般不再将CPU使用权还给引发终止的应用程序, 而是直接终止该应用程序, 如: 整数除0, 非法使用特权指令
  • 外中断(中断): 与当前执行的指令无关, 中断信号来源于CPU外部
    • 时钟中断
    • I/O中断请求

• 原理

  • 不同的中断信号, 需要用不同的中断处理程序来处理, 查询"中断向量表"

    

系统调用

"系统调用"是操作系统提供给应用程序(程序员/编程人员)使用的接口, 可以理解为一种可供应用程序调用的特殊函数, 应用程序可以通过系统调用来请求获得操作系统内核的服务

• 凡是与共享资源有关的操作(如存储分配, I/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内核提出服务请求

  

体系结构

操作系统引导

• 开机过程

虚拟机