操作系统第一章

1.1. 概念计算机系统的层次结构用户应用程序软件操作系统裸机纯硬件操作系统负责管理协调硬件、软件等计算机资源的工作为上层的应用程序、用户提供简单易用的服务操作系统是系统软件而不是硬件操作系统Operating SystemOS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从中间往两边看以提供给用户和其他软件方便的接口和环境从下往上看它是计算机系统中最基本的系统软件从上往下看。1.2. 功能和目标1.2.1. 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目标安全、高效1.2.2. 作为用户与计算机硬件之间的接口提供的功能命令接口联机命令接口交互式命令接口脱机命令接口批处理命令接口程序接口系统调用 系统调用命令 广义指令GUI图形用户界面目标方便用户使用1.2.3. 作为最接近硬件的层次需要提供的功能和目标实现对硬件机器的拓展没有任何软件支持的计算机成为裸机。在裸机上安装的操作系统可以提供资源管理功能和方便用户的服务功能将裸机改造成功能更强、使用更方便的机器。通常把覆盖了软件的机器成为扩充机器又称之为虚拟机。1.3. 特征四个重要特征并发例子共享互斥共享方式摄像头资源同时访问方式硬盘资源并发和贡献的关系并发和共享是两个最基本的特征两者互为存在条件。虚拟没有并发性就谈不上虚拟性空分复用技术虚拟存储器时分复用技术虚拟处理器异步只有系统拥有并发性才有可能导致异步性1.4. 发展与分类1.4.1.1. 单道批处理系统1.4.1. 2多道批处理系统主要优点多道程序并发执行共享计算机资源。资源利用率大幅提升CPU 和其他资源保持“忙碌”状态系统吞吐量增大。主要缺点用户响应时间长没有人机交互功能用户提交自己的作业之后就只能等待计算机处理完成中间不能控制自己的作业执行1.4.2. 分时操作系统计算机以时间片为单位轮流为各个用户/作业服务各个用户可通过终端与计算机进行交互。主要优点用户请求可以被即时响应解决了人机交互问题。允许多个用户同时使用一台计算机并且用户对计算机的操作相互独立感受不到别人的存在。主要缺点不能优先处理一些紧急任务。操作系统对各个用户/作业都是完全公平的循环地为每个用户/作业服务一个时间片不区分任务的紧急性。1.4.3. 实时操作系统主要优点能够优先响应一些紧急仼务某些紧急任务不需时间片排队。在实时操作系统的控制下计算机系统接收到外部信号后及时进行处理并且要在严格的时限内处理完事件。实时操作系统的主要特点是及时性和可靠性。1.5. 运行机制与体系结构1.5.1.运行机制一些硬件机理1.指令的区别2.应用程序 与 内核程序CPU在设计和生产的时候就划分了特权指令和非特权指令3.内核态 与 用户态4.内核态和用户态的切换————通过例子解释1.5.2. 操作系统内核时钟管理中断管理原语是一种特殊的程序处于操作系统最底层是最接近硬件的部分这种程序的运行具有原子性运行时间较短、调用频繁设备驱动、CPU 切换等对系统资源进行管理的功能进程管理存储器管理设备管理1.5.3. 操作系统的体系结构1.大内核将操作系统的主要功能模块都作为系统內核运行在核心态优高性能缺内核代码庞大结构混乱难以维护2.微内核只把最基本的功能保留在内核优内核功能少结构清晰方便维护缺需要频繁地在核心态和用户态之间切换性能低大内核 和 微内核的区别3.分层结构优点缺点4.模块化优点缺点5.外核优点缺点1.6. 中断和异常1.6.1. 概念和作用本质发生中断就意味着需要操作系统介入开展管理工作当中断发生时CPU 立即进入核心态当中断发生后当前运行的进程暂停运行并由操作系统内核对中断进行处理对于不同的中断信号会进行不同的处理发生了中断就意味着需要操作系统介入开展管理工作。由于操作系统的管理工作比如进程切换、分配 I/O 设备等需要使用特权指令因此 CPU 要从用户态转为核心态。中断可以使 CPU从用户态切换为核心态使操作系统获得计算机的控制权。有了中断才能实现多道程序并发执行。“用户态-核心态”是通过中断实现的。并且中断是唯一途径“核心态-用户态”的切换是通过执行一个特权指令将程序状态字PSW的标志位设置为“用户态”1.6.2. 中断的分类信号的来源与当前执行的指令内中断CPU 内部有关外中断CPU 外部无关内中断内部异常、例外、陷入自愿中断指令中断系统调用时的访管指令/陷入指令/trap 指令强迫中断硬件中断故障、fault 指令内存缺页软件中断终止、abort 指令整数除 0外中断狭义的中断、强迫中断外设请求I/O 操作完成发出的中断信号人的干预用户强行终止一个进程内中断和外中断的区别以及重点1.6.2. 中断的基本原理1.7. 系统调用1.7.1.什么是系统调用有何作用操作系统提供给应用程序使用的接口应用程序通过系统调用来请求获得操作系统的服务系统调用会使处理器从用户态进入核心态系统调用分类设备管理。完成设备的请求或释放以及设备启动等功能文件管理。完成文件的读、写、创建及删除等功能进程控制。完成进程的创建、撤销、阻塞及唤醒等功能进程通信。完成进程之间的消息传递或信号传递等功能内存分配。完成内存的分配、回收以及获取作业占用内存区大小及始址等功能1.7.2. 系统调用和库函数的区别系统调用是操作系统向上层提供的接口有的库函数是对系统调用的进一步封装当今编写的应用程序大多是通过高级语言提供的库函数间接地进行系统调用1.7.3. 系统调用为什么是必须的——例子1.7.4. 什么功能要系统调用实现1.7.5. 系统调用过程补充. 操作系统引导开机过程补充. 虚拟机两类对比