操作系统
操作系统的概念
操作系统：控制和管理整个计算机系统的硬件和软件资源，并合理组织调度计算机的工作和资源分配，以提供给用户和其他软件方便的接口和环境，是计算机系统中最基本的系统软件
计算机系统的结构层次
- 裸机
- 操作系统
- 软件
- 用户（也可直接使用操作系统）
操作系统的功能
操作系统作为系统资源的管理者
- 文件管理
- 内存管理
- 处理机管理
- 设备管理
操作系统作为用户和硬件的接口
- 命令接口：允许用户直接使用
- 联机命令接口=交互式命令接口：用户说一句，系统做一句（cmd）
- 脱机命令接口=批处理命令接口：用户说一堆，系统做一堆（*.bat）
- 程序接口=系统调用=广义指令：允许用户通过程序间接使用 ，有一组系统调用组成
- GUI：图像用户界面
操作系统作为最接近硬件的层次
实现对硬件机器的拓展
裸机：没有任何软件支持的计算机
虚拟机/扩充机：覆盖了软件的机器
操作系统的特征
并发和共享为最基本特征，二者互为存在条件
失去并发性则共享性没有存在意义；失去共享性则无法并发
没有并发性就谈不上虚拟性
只有系统拥有并发性，才有可能导致异步性
并发
- 并发：两个或多个事件在同一时间间隔内，宏观上同时发生，微观上交替发生
- 并行：两个或多个事件在同一时刻同时发生
操作系统和程序并发是一同诞生的
共享
系统中的资源可供内存中多个并发的进程共同使用
-
互斥共享：一个时间段只允许一个进程访问
-
同时共享：一个时间段多个进程可以“同时”访问（可能是微观上交替访问）
虚拟
虚拟技术：
- 时分复用技术
- 空分复用技术
异步
多道程序环境下，允许多个程序并发执行，但由于资源有限，进程的执行走走停停，以不可预知的速度向前推进
操作系统的发展
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低批处理阶段
批处理阶段
- 单道批处理系统：引入脱机输入/出技术（磁带），并监督程序负责控制作业的输入、输出
- 优：缓解了一定程度人机速度矛盾，资源利用率有所提升
- 缺：内存中仅有一道程序运行，CPU有大量时间在空闲等待I/O完成，资源利用率依旧很低
- 多道批处理系统：每次往内存中输入多道程序，操作系统正式诞生
- 优：多道程序并发执行、共享计算机资源、资源利用率大幅提升、系统吞吐量增大
- 缺：用户响应时间长，没有人机交互能力
- 分时操作系统
- 优：提供人机交互功能
- 缺：不能优先处理紧急任务
- 实时操作系统
- 硬实时系统：必须在绝对严格的时间间隔内完成处理
- 软实时系统：能接受偶尔违反时间规定
操作系统运行机制
指令：
- 特权指令
- 非特权指令
处理器状态：PSW标识
- 核心态（管态）：特权、非特权指令都可以执行
- 用户态（目态）：此时CPU只能执行非特权指令
程序：
- 内核程序
- 应用程序
内核是计算机配置的底层软件，是操作系统最基本、最核心的部分
- 时钟管理
- 中断处理
- 原语：一种特殊的程序，具有原子性（一旦开始不可被中断）
- （对系统资源进行管理）
操作系统体系结构：
- 大内核：操作系统主要功能都作为系统内核，运行在核心态
- 优：高性能
- 缺：代码庞大、结构混乱、难以维护
- 微内核：只把最基本的功能保留在内核
- 优：结构清晰、方便维护
- 缺：需要频繁在用户态与核心态间切换，性能低