操作系统基础知识详解

目录

一、操作系统概述

二、操作系统的功能和目标 -- 作为系统资源的管理者

① 操作系统作为系统资源的管理者（这些资源包括软件、硬件、文件等），需要提供什么功能？

② 操作系统作为用户与计算机硬件之间的接口，要为其上层的用户、应用程序提供简单易用的服务，需要实现什么功能？

③ 操作系统作为最接近硬件的层次，需要在纯硬件的基础上实现什么功能？

三、操作系统的特征

1、并发

2、并行

 3、共享

4、虚拟

5、异步

6、总结

四、操作系统的发展和分类

1、手工操作阶段

2、批处理阶段

3、分时操作系统

4、实时操作系统

5、网络操作系统

6、分布式操作系统

7、个人计算机操作系统

五、操作系统的运行机制和体系结构

1、什么是指令

2、两种指令、两种处理器状态、两种程序

3、操作系统中的哪些功能应该由内核程序实现呢？

4、操作系统的体系结构可以分为大内核和微内核。

六、中断和异常

1、中断的概念和作用

2、中断的分类

3、外中断的处理过程

七、系统调用

1、什么是系统调用

2、系统调用作用

3、系统调用的分类

4、系统调用的过程简介

一、操作系统概述

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，以提供给用户和其它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。

二、操作系统的功能和目标 -- 作为系统资源的管理者

进程是一个程序的执行过程，执行前需要将该程序放到内存中，才能被CPU处理。

① 操作系统作为系统资源的管理者（这些资源包括软件、硬件、文件等），需要提供什么功能？

作为系统资源的管理者

（1）提供的功能

• 处理机管理
• 存储器管理
• 文件管理
• 设备管理

（2）目标

• 安全
• 高效

用微信和朋友视频聊天的过程：

② 操作系统作为用户与计算机硬件之间的接口，要为其上层的用户、应用程序提供简单易用的服务，需要实现什么功能？

作为计用户和计算机硬件之间的接口

（1）提供的功能

1. 命令接口（联机命令接口、脱机命令接口）
2. 程序接口
3. GUI图形用户界面

（2）目标，方便用户使用

 命令接口：允许用户直接使用

程序接口：允许用户通过程序间接使用

GUI：现代操作系统中最流行的图形用户接口

1、命令接口

联机命令接口 = 交互式命令接口

大概的意思就是你说一句，系统做一句。

比如cmd命令：

 脱机命令接口 = 批处理命令接口

 2、程序接口

比如C:\Windows\System32\user32.dll l程序员在程序中调用user32.dll（该调用即为系统调用）即可实现创建窗口等功能。只能通过用户程序间接使用。

3、GUI图形用户界面

用户可以使用形象的图形化界面进行操作，而不再需要使用复杂的命令或参数了。

③ 操作系统作为最接近硬件的层次，需要在纯硬件的基础上实现什么功能？

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称为裸机，在裸机上安装操作系统，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称为扩充机器，又称为虚拟机。

三、操作系统的特征

1、并发

指多个事件在同一事件间隔内交替发生。

2、并行

指多个事件在同一时刻同时发生。

一个单核处理机CPU同一时刻只能执行一个程序，因此操作系统会负责协调多个程序交替执行（这些程序微观上是交替执行的，但是宏观上看起来就像同时执行）

当今的计算机，一般都是多核CPU，比如我现在用的联想小新Pro16的CPU就是I5 11300H，它是一个四核CPU，这意味着同一时刻可以有4个程序并行执行，但是操作系统的并发性依然必不可少。因为电脑可能开着十几个应用程序，比如微信、谷歌、腾讯、酷狗音乐、Excel等等，都是需要同时工作的，而且电脑运行时，电脑系统自带的程序，也数不胜数。

 3、共享

共享即资源共享，是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。

两种资源共享的方式：

（1）互斥共享方式

系统中的某些资源，虽然可以提供给多个进程使用，但一个时间段内只允许一个进程访问该资源。

如对摄像头设备的共享使用。

（2）同时共享方式

系统中的某些资源，允许一个时间段内有多个进程“同时”对它们进行访问。

所谓的“同时”往往是宏观的，而从微观上讲，这些进程可能是交替地对该资源进行访问的，即分时共享。

如对硬盘资源的共享使用。

4、虚拟

虚拟是指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，而逻辑上对应物是用户感知到的。

用一个例子来理解：

众所周知，一个程序需要放入内存并给它分配CPU才能执行。

GTA5游戏需要4GB的运行内存，QQ需要256MB的内存，迅雷需要250MB的内存，网易云音乐需要256MB的内存...

我的电脑4GB。

问题：这些程序同时运行需要的内存远远大于4GB，那么为什么它们还可以在我的电脑上同时运行呢？

答：这是虚拟存储器技术。实际只有4GB的内存，在用户看来似乎远远大于4GB。这应用了虚拟机技术中的“空分复用技术”。微观上处理机在各个微笑的时间段内交替为各个进程服务。

5、异步

异步是指，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，进程的执行不是一管到底的，而是走走停停，以不可预知的速度向前推进，这就是进程的异步性。

如果失去了并发性，则系统只能串行的处理各个进程，每个进程的执行会一贯到底，只有系统拥有并发性，才有可能导致异步性。

6、总结

如果没有并发和共享，就谈不上虚拟和异步，因此并发和共享是操作系统的两个最基本的特征。

四、操作系统的发展和分类

1、手工操作阶段

缺点：人机速度矛盾

2、批处理阶段

（1）单道批处理系统（引入脱机输入输出技术）

优点：缓解人机速度矛盾

缺点：资源利用率较低

（2）多道批处理系统（操作系统开始出现）

优点：多道程序并发执行，资源利用率高

缺点：不提供人机交互功能

3、分时操作系统

优点：提供人机交互功能

缺点：不能有限处理紧急任务

4、实时操作系统

（1）硬实时系统

必须在绝对严格的规定时间内完成处理

（2）软实时系统

能接受偶尔违反时间规定

（3）优点：能优先处理紧急任务

5、网络操作系统

6、分布式操作系统

7、个人计算机操作系统

五、操作系统的运行机制和体系结构

1、什么是指令

简单来说，指令就是处理器CPU能识别、执行的最基本命令，比如：加法指令就是让CPU进行加法运算。 

2、两种指令、两种处理器状态、两种程序

（1）两种指令

① 特权指令

如内存清零指令，不允许用户程序使用

② 非特权指令

如普通的运算指令

（2）两种处理器状态

① 用户态

此时CPU只能执行非特权指令

② 核心态

特权指令、非特权指令都可以执行

用程序状态字寄存器中的某标志位来标识当前处理器处于什么状态。如0为用户态，1为核心态。

（3）两种程序

① 内核程序

操作系统的内核程序时系统的管理者，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

为了保证系统能安全运行，普通应用程序只能执行非特权指令，运行在用户态。

3、操作系统中的哪些功能应该由内核程序实现呢？

内核是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。

实现操作系统内核功能的那些程序就是内核程序。

（1）与硬件关联较紧密的模块

① 时钟管理

实现计时功能

② 中断处理

负责实现中断功能

③ 原语

是一种特殊的程序
出于操作系统最底层，是最接近硬件的部分
这种程序的运行具有原子性，其运行只能一气呵成，不可中断
运行时间较短、调用频繁
（2）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

有的操作系统不把这部分功能归为“内核功能”，也就是说，不同的操作系统，对内核功能的划分可能并不一样。

4、操作系统的体系结构可以分为大内核和微内核。

（1）大内核：

• 将操作系统的主要功能模块都作为系统内核，运行在核心态
• 优点：高性能
• 缺点：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。
• 优点：内核功能少，结构清晰，方便维护
• 缺点：需要频繁地在核心态和用户态之间切换，性能

六、中断和异常

1、中断的概念和作用

1. 当中断发生时，CPU立即进入核心态
2. 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
3. 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IO设备等）需要使用特权指令，因此CPU要从用户态切为核心态。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。

用户态和核心态的切换是通过中断实现的，并且中断是唯一途径。

2、中断的分类

（1）内中断

信号来源：CPU内部

① 陷阱

有意而为之的异常，如系统调用

② 故障

由错误条件引起的，可能被故障处理程序修复，如缺页。

③ 终止

不可恢复的错误造成的结果，终止处理程序不再将控制返回给引发终止的应用程序，如整数除0。

（2）外中断

信号来源：CPU外部

① IO中断请求

② 人工干预

3、外中断的处理过程

执行完每个指令后，CPU都要检查当前是否有外部中断信号
如果检测到外部中断信号，则需要保护被中断进程的CPU环境（如程序状态子PSW、程序计数器PC、各种通用寄存器）
根据中断信号类型转入相应的中断处理程序
恢复原进程的CPU环境并退出中断，返回原进程继续往下执行

七、系统调用

1、什么是系统调用

系统调用是操作系统提供给应用程序使用的接口，可以理解为一种可供应用程序调用的特殊函数，应用程序可以发出系统调用请求来获得操作系统的服务。

2、系统调用作用

应用程序通过系统调用请求操作系统的服务，服务中的各种共享资源都由操作系统统一掌管，因此在用户程序中，凡是与资源有关的操作（如存储分配、IO操作、文件管理等），都必须通过系统调用的方式向操作系统提出服务请求，由操作系统代为完成。这样可以保证系统的稳定性和安全性，防止用户进行非法操作。

3、系统调用的分类

1. 设备管理（完成设备的请求、释放、启动等功能）
2. 文件管理（完成文件的读写、创建、删除等功能）
3. 进程控制（完成进程的创建、撤销、阻塞、唤醒等功能）
4. 进程通信（完成进程之间的消息传递、信号传递等功能）
5. 内存管理（完成内存的分配、回收等功能）

系统调用相关处理涉及到对系统资源的管理，对进程的控制，这些功能需要执行一些特权指令才能完成，因此系统调用的相关处理需要在核心态下进行。

4、系统调用的过程简介

 传递系统调用参数 -> 执行陷入指令（用户态） -> 执行系统调用相应服务程序（核心态） -> 返回用户程序。

小总结：

1. 陷入指令是在用户态执行的，执行陷入指令之后立即引发一个内中断，从而CPU进入核心态
2. 发出系统调用请求的是用户态，而对系统调用的相应处理在核心态下进行
3. 陷入指令是唯一一个只能在用户态执行，而不可在核心态执行的指令

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