操作系统概述

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操作系统概述

操作系统的概念：

• 负责管理协调硬件、软件等计算机资源的工作
• 为上层用户、应用程序提供服务
• 是一种系统软件

根据概念操作系统需要提供的相应的功能。

作为系统资源的管理者：处理机管理、存储器管理、文件管理、设备管理。
处理机：计算机系统中存储程序和数据，并按照程序规定的步骤执行指令的部件。

作为用户和计算机硬件之间的接口：命令接口、程序接口、GUI（图形界面）。

• 命令接口用户直接调用，分为联机命令接口（说一做一）和脱机命令接口（批处理）
• 程序接口又被称为系统调用、广义指令，用户通过程序间接使用

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基本特征

操作系统基本特征有四个，并发、共享、虚拟、异步，而并发和共享是最基本的特征，它们互为存在条件，而如果没有并发也就没有虚拟和异步技术。

1. 并发
操作系统的并发性是指计算机系统中同时存在着多个运行着的程序，通过引入进程和线程保证并发性。

并发指两个或多个事件在同一时间间隔内（一段时间内）同时运行多个程序，宏观上是同时发生，而微观上是交替发生。

并行则指同一时刻能运行多个指令或程序。

注： 并发需要硬件的支持，如多核处理器。

2. 共享
共享就是资源共享，指系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程共同使用，分为两种共享方式：互斥共享、同时共享。

互斥共享： 同一时间只允许一个进程访问，需要同步机制保证。

同时共享： 允许一个时间段中多个进程”同时“（并发）进行访问。

3. 虚拟
虚拟是指吧一个物理实体转换为多个逻辑实体。物理实体是实际存在的，而逻辑实体是用户感受到的。

虚拟技术主要有两种：
空分复用技术： 如虚拟存储技术
时分复用技术： 如虚拟处理器，即每个进程轮流占用处理器，每次执行一小个时间片并进行轮转。

4. 异步
多道程序环境下，允许多个程序并发执行，但资源有限，所以进程不是一次性执行完毕的，而是走走停停，以不可知的速度向前推进。

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操作系统的发展

图片来源王道操作系统

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操作系统运行机制和体系结构

运行机制

两种指令：

• 特权指令（不允许用户程序使用）
• 非特权指令

根据两种指令的分为两种处理器状态：

• 用户态：只能执行非特权指令
• 核心态：能执行特权指令、非特权指令

根据程序运行在的处理器状态分为两种程序：

• 内核程序
• 应用程序

体系结构

操作系统内核
内核是指计算机上配置的底层软件，是操作系统最基本、最核心的部分。

图片来源王道操作系统

不同操作系统对内核功能的划分是不一样的，大致可以分为两种：

• 大内核： 将操作系统的主要功能魔抗都作为系统内核，运行在核心态。
  性能高，但难维护。
• 微内核： 只把基本的功能保留在内核，移出的功能划分成若干的服务。
  结构清晰易维护，需要频繁切换处理器状态所以有性能损失。
  
  图片来源王道操作系统

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中断和异常

操作系统发生中断，就说明需要操作系统介入操作。由于操作系统的管理工作需要使用特权指令，所以处理器就会由用户态转为核心态。由此可见，中断机制可以保证多道程序的并发执行。

处理器是如何转换状态的？
用户态->核心态：中断机制（唯一途径）
核心态->用户态：通过特权指令改变程序状态字的标志位

中断的分为两类：
1. 外中断
由 CPU 指令以外的事件引起，如 I/O 操作完成发出的中断信号（外设），或用户强行终止一个进程发生的中断。

2. 内中断
内中断是发生在内部的中断，可以分为：

• 异常： 应用程序意想不到的行为，如地址越界、除零等操作。
  处理：杀死或重新执行发生处的
• 陷入 有意为之的操作，如系统调用

系统调用
一个进程在用户态需要使用内核态的功能，就会进行系统调用从而陷入内核，由操作系用代为完成。