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# 操作系统的概念与作用

# 操作系统的概念

操作系统（Operation System），简称 OS，是管理计算机硬件与软件资源的计算机程序

# 计算机系统构成

  1. 用户
  2. 应用程序
  3. 操作系统（OS）
  4. 硬件（裸机）

# OS 是一种系统软件

  1. 与硬件交互
  2. 对资源共享进行调度管理
  3. 解决并发操作处理中存在的协调问题
  4. 数据结构复杂，外部接口多样化，便于用户反复使用

# OS 的作用

  1. 管理与配置内存
  2. 决定系统资源供需的优先次序
  3. 控制输入设备与输出设备
  4. 操作网络与管理文件系统等基本事物
  5. 提供一个让用户与系统交互的操作界面

# 操作系统的目标

# 有效性（管理系统资源）

  1. 提高系统资源利用率
  2. 提高系统的吞吐量

# 方便性（方便用户使用）

# 可扩充性（作为扩充机器）

# 开放性（作为扩充机器）

# 操作系统的功能

# OS 的功能

  1. 作为计算机系统资源的管理者
  2. 作为用户与计算机硬件系统之间的接口
  3. 实现了对计算机资源的抽象

# OS 作为计算机系统资源的管理者

# 处理机管理

  1. 进程控制
  2. 进程同步
  3. 进程通信
  4. 调度

# 存储器管理

  1. 内存分配
  2. 内存保护
  3. 地址映射
  4. 内存扩充

# I/O 设备管理

  1. 缓冲管理
  2. 设备分配
  3. 设备处理

# 文件管理

  1. 文件存储空间的管理
  2. 目录管理
  3. 文件的读 / 写管理和保护

# OS 作为用户与计算机系统硬件系统之间的接口

  1. 程序接口
  2. 命令接口
  3. GUI（Graphical User Interface）图形化接口

# OS 实现了对计算机系统资源的抽象

  1. 将具体的计算机硬件资源抽象成软件资源
  2. 开放了简单你的访问方式，隐藏了实现细节

# 操作系统的特征

# 并发

# OS 的并发性（Concurrence）

  1. 宏观上，处理机同时执行多道程序
  2. 微观上，处理机在多道程序间高速切换（分时交替执行）
  3. 关注单个处理机同一时间段内处理任务数量的能力

# 并发与并行

  1. 并发：同一时间间隔（时间段）发生的事件数量
  2. 并行：同一时刻（时间点）发生的事件数量

# 共享

# OS 的共享性（Sharing）

共享即资源共享，系统中的资源提供多个并发执行的应用程序共同使用

  1. 同时访问方式：同一时段允许多个程序同时访问共享资源
  2. 互斥共享方式：也叫独占式，允许多个程序在一个共享资源上进行独立而互不干扰的工作

# 并发和共享互为存在条件

  1. 共享性要求 OS 中同时运行着多道程序
  2. 并发性难以避免的导致多道程序同时访问一个资源

# 虚拟

# OS 的虚拟技术

使用某种技术把一个物理实体变成多个逻辑上的对应物

  1. 时分复用技术（TDM，Time Division Multiplexing）
    1. 虚拟处理技术：四核八线程
    2. 虚拟设备技术：虚拟打印机
  2. 空分复用技术（SDM，Space Division Multiplexing）
    1. 虚拟磁盘技术：将一块硬盘虚拟出若干个卷
    2. 虚拟存储器技术

# 异步

# OS 的异步性（Asynchronism）

多道程序环境下，允许多个程序并发执行

单处理机环境下，多个程序分时交替执行

  1. 程序执行的不可预知性
    1. 获得运行的时机
    2. 因何暂停
    3. 没到程序需要多少时间
    4. 不同程序的性能，比如计算多少，I/O 多少
  2. 宏观上一气呵成，微观上走走停停

# 操作系统的发展

# 手工操作阶段

  1. 人工操作方式
  2. 脱机输入 / 输出方式

# 批处理阶段

  1. 单道批处理系统
  2. 多道批处理系统

# 分时操作系统

# 实时操作系统

# 微机操作系统

# 操作系统的运行机制

# 基本概念

# 内核程序与应用程序

  1. 内核程序：操作系统的内核的管理者，既可以执行特权指令，也可以执行非特权指令，运行在核心态
  2. 应用程序：为了保证系统能够安全的运行，普通应用程序之只能执行非特权指令，运行在用户态

# 核心态与用户态

  1. 用户态：应用程序只能在用户态下运行 —— 运行应用程序的时候称为用户态
  2. 核心态：内核程序只能在核心态下运行 —— 运行内核程序的时候称为核心态

# 特权指令与非特权指令

  1. 特权指令：cpu 在内核态时运行的指令，而处于核心态执行中的进程，能访问所有的内存空间和对象，且所占有的处理机时不允许被抢占的
  2. 非特权指令：cpu 在用户态时运行的指令，处于用户态执行时，进程能访问的内存空间和对象收到限制，其所占有的处理机可被抢占

# 时钟与中断

# 时钟管理

  1. 计时：提供系统的时间
  2. 时钟中断：比如进程切换

# 中断机制

  1. 提高多道程序环境下的利用率
  2. 外中断：中断信号来源于外部设备
  3. 内中断：中断信号来源于当前指令
    1. 陷入（Trap）：由应用程序主动引发
    2. 故障（Fault）：由错误条件引发
    3. 终止（abort）：由致命错误引发

# 中断处理过程

  1. 关中断
  2. 保存断点
  3. 引出中断服务程序
  4. 保存现场和屏蔽字
  5. 开中断
  6. 执行中断服务程序
  7. 关中断
  8. 恢复现场和屏蔽字
  9. 开中断

# 原语

  1. 由若干条指令组成
  2. 用来完成某个特定功能
  3. 执行过程中不会被中断

# 系统数据结构

  1. 进程管理：作业控制块，进程控制块
  2. 存储器管理：存储器分配与回收
  3. 设备管理：缓冲区，设备控制块

# 系统调用

  1. 由操作系统实现，给应用程序调用
  2. 是一套接口的集合
  3. 应用程序访问内核服务的方式

# 操作系统的体系结构

# 传统的操作系统结构

# 无结构 OS

  1. 一系列过程（程序）的集合，过程间可以相互调用
  2. 结构复杂混乱，难以调试、阅读和维护

# 模块化结构 OS：模块 - 接口法 OS

  1. 基于分解和模块化的原则
  2. 按照功能划分模块 / 子模块，规定模块间的接口
  3. 模块独立性标准：高内聚、低耦合

# 分层式结构 OS

  1. 有序分层法：自顶向下依次依赖
  2. 设计时，自低向上：每一步建立在可靠基础上
  3. 优缺点
    1. 容易保证系统的正确性
    2. 容易扩充和维护
    3. 自上而下的层次通信，导致系统效率降低

# 微内核操作系统结构

# 微内核 OS 结构

  1. 基本概念：足够小的内核，只能实现 OS 核心功能
    1. 与硬件处理紧密相关的部分，比如硬件处理，客户与服务器通信和其他基本功能
    2. 一些较基本的功能
    3. 客户和服务器之间通信
  2. 应用机制与策略分离的原理
  3. 采用面向对象技术
  4. 优点
    1. 提高 OS 的可扩展性、可靠性、可移植性
    2. 支持分布式系统
    3. 融入了面向对象技术
  5. 缺点
    1. 相对早期的 OS，降低了一定的效率