计算机操作系统（知识点总结+思维导图）

缺乏、安全感 2022-11-05 08:39 1051阅读 0赞

### 目录 ###

*  第一章 计算机系统概述
 *   *  绪：第一章思维导图
     *  1.1 操作系统的基本概念
     *   *  操作系统的概念
         *  操作系统的特征
         *  操作系统的目标和功能
     *  1.2 操作系统的发展与分类
     *   *  手工操作阶段（此阶段无操作系统）
         *  批处理阶段（操作系统开始出现）
         *  分时操作系统
         *  实时操作系统
         *  网络操作系统和分布式计算机系统
         *  个人计算机操作系统
     *  1.3 操作系统的运行环境
     *   *  操作系统的运行机制
         *  中断和异常的概念
         *  系统调用
     *  1.4 操作系统的体系结构
     *   *  大内核和微内核

# 第一章 计算机系统概述 #

## 绪：第一章思维导图 ##

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## 1.1 操作系统的基本概念 ##

### 操作系统的概念 ###

操作系统（Opreating System,OS)是指控制和管理整个计算机系统的硬件与软件资源，合理地组织、调度计算机的工作与资源的分配，进而为用户和其他软件提供方便接口与环境的程序集合。操作系统是计算机系统中最基本的系统软件。

*  操作系统是系统资源的管理者
 *  向上层提供方便易用的服务

### 操作系统的特征 ###

操作系统的基本特征包括`并发、共享、虚拟和异步`

1.  并发
    
    并发是指两个或多个事件在同一时间间隔内发生
    
    > 注：==同一时间间隔（并发）和同一时刻（并行）==的区别：
    > 
    > 在多道程序环境下，一段时间内，宏观上有多道程序在同时执行，而在每个时刻，实际仅能有一道程序执行，因此在微观上这些程序仍是分时交替进行的。操作系统的并发性是通过分时得以实现的
    > 
    > 并行性是指系统具有同时进行运算和操作的特性，在同一时刻能完成两种或两种以上的工作。并行性需要有相关硬件的支持
2.  **共享**
    
    资源共享即共享，是指系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程同时使用。
    
    共享可分为两种资源共享方式：
    
    1.  互斥共享方式
        
        规定在一段时间内只允许一个进程访问该资源。（如栈，变量，表格）
    2.  同时访问方式
        
        资源允许在一段时间内由多个进程“同时”访问。这里的`“同时”通常是宏观上`，而在`微观上，这些进程可能是交替`地对该资源进行访问即“分时共享”的。
        
        > 注：互斥共享要求一种资源在一段时间内只能满足一个请求，（例打印机）
        > 
        > 同时访问共享通常要求一个请求分几个时间片段间隔地完成，其效果与连续完成的效果相同
    
    > 并发和共享是操作系统两个最基本的特征，两者之间互为存在的条件：
    > 
    > ① 资源共享是以程序的并发为条件的，若系统不允许程序并发执行则自然不存在资源共享问题
    > 
    > ② 若系统不能对资源共享实施有效的管理，则必将影响到程序的并发执行，甚至根本无法执行
3.  **虚拟**
    
    虚拟是指把一个物理上的实体变为若干逻辑上的对应物
    
    物理实体（前者）是实的，即实际存在的；而后者是虚的，是用户感觉上的事物。用于实现虚拟的技术，称为虚拟技术。虚拟存储器技术是通过多道程序设计技术，采用让多道程序并发执行的方法，来分时使用一个处理器的。利用多道程序设计技术把一个物理上的CPU虚拟为多个逻辑上的CPU，称为虚拟处理器。
    
    操作系统的虚拟技术可归纳为：时分复用技术，如处理器的分时共享；空分复用技术，如虚拟存储器
4.  **异步**
    
    在多道程序环境允许**多个程序并发执行**的前提下，但由于资源有限，**进程交替执行**，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，即系统只能串行地 运行各个程序，那么每个程序的执行会 一贯到底。`只有系统拥有并发性，才有可能导致异步性。`

### 操作系统的目标和功能 ###

操作系统应具有的功能：处理机管理、存储器管理、设备管理、文件管理

1.  操作系统作为计算机系统资源的管理者
    
    1.  处理机管理
    2.  存储器管理
    3.  文件管理
    4.  设备管理
2.  操作系统作为用户与计算机硬件系统之间的接口
    
    操作系统提供的接口主要分为两类：
    
    1.  命令接口
        
        `命令接口分为联机命令接口和脱机命令接口`
        
         *  **联机命令接口**
            
            联机命令接口又称交互式命令接口，**适用于分时或实时操作系统**的接口。由一组键盘操作命令组成。用户输入一条命令，控制台或终端执行一条，强调了交互性
         *  **脱机命令接口**
            
            脱机命令接口又称批处理命令接口，**适用于批处理系统**，由一组作业控制命令组成。脱机**用户不能直接干预**作业的运行，而应事先用相应的作业控制命令写成一份作业操作说明书。连同作业一起提交给系统
    2.  程序接口（系统调用）
        
        程序接口由一组\*\*系统调用（也称广义指令）\*\*组成。用户通过在程序中使用这些系统调用来请求操作系统为其提供服务。如图形用户界面GUI
        
        > 注：
        > 
        > ① 操作系统不允许用户直接操作各种硬件资源，因此用户程序只能通过系统调用的方式来请求内核为其服务，间接地使用各种资源
        > 
        > ② 库函数是语言或应用程序的一部分，可以运行在用户空间中。而`系统调用是操作系统的一部分，是内核为用户提供的程序接口，运行在内核空间中`，许多库函数都会使用系统调用来实现功能。未使用系统调用的库函数，其执行效率通常比系统调用高，因为使用系统功能调用时，需要上下文的切换及状态的转换（由用户状态转向核心态）
3.  操作系统用作扩充机器
    
    没有任何软件支持的计算机称为**裸机**。操作系统所提供的资源管理功能和方便用户的各种服务功能，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或虚拟机

## 1.2 操作系统的发展与分类 ##

### 手工操作阶段（此阶段无操作系统） ###

用户在计算机上算题的所有工作都要人工干预

**缺点：**

*  资源利用率低
 *  CPU利用不充分

### 批处理阶段（操作系统开始出现） ###

1.  单道批处理系统
    
    系统对作业的处理是成批进行的，但内存中始终保持一道作业
    
    主要特征：
    
     *  自动性。顺利的情况下，磁带上的一批作业能自动的逐个运行，无须人工干预
     *  顺序性。磁带上的各道作业顺序地进入内存，完成顺序与进入内存的顺序完全相同
     *  单道性。内存中仅有一道程序运行
2.  多道批处理系统
    
    多道程序设计技术允许多个程序同时进入内存并允许它们在CPU中交替地运行，这些程序共享系统中的各种硬件/软件资源
    
    **多道程序设计的特点**：
    
     *  多道。计算机内存中同时存放多道相互独立的程序
     *  宏观上并行。同时进入系统的多道程序都处于运行过程中
     *  微观上串行。内存中的多道程序轮流占有CPU，交替执行
    
    **多道程序设计的优点**：
    
     *  资源利用率高
     *  系统吞吐量大
    
    **多道程序设计的缺点：**
    
     *  用户响应的时间较长
     *  不提供人机交互能力

### 分时操作系统 ###

**分时技术**，是指把处理器的运行时间分成很短的时间片，按时间片轮流把处理器分配给各联机作业使用。若某个作业在分配给它的时间片内不能完成其计算，则该作业暂时停止运行，把处理器让给其他作业使用，等待下一轮再继续执行

**分时操作系统**是指多个用户通过终端同时共享一台主机，这些终端连接在主机上，用户可以同时与主机进行交互操作而互不干扰

分时系统的主要特征：

*  **同时性**。也称多路性，指允许多个终端用户同时使用一台计算机
 *  **交互性**。用户能够方便地与系统进行人机对话
 *  **独立性**。系统中多个用户可以彼此独立地进行操作，互不干扰
 *  **及时性**。用户请求能在很短时间内获得响应

> 注：当时间片固定时，用户数越多，每个用户分到的时间片就越少，响应时间就变长

### 实时操作系统 ###

实时操作系统是为了实现在某个时间限制内完成某些紧急任务而不需要时间片排队

*  **硬实时系统**：`某个动作必须绝对地在规定的时刻（或规定的时间范围）发生`。如飞行器的飞行自动控制系统
 *  **软实时系统**：`能够接受偶尔违反时间规定且不会引起任何永久性的损害`。如飞机订票系统、银行管理系统

在实时操作系统的控制下，计算机系统接受到外部信号后及时进行处理，并在严格的时限内处理完接受的事件。**实时操作系统的主要特点是**：

*  及时性
 *  可靠性

### 网络操作系统和分布式计算机系统 ###

*  **网络操作系统**
    
    网络操作系统把计算机网络中的各台计算机有机的结合起来，提供一种统一、经济而有效的使用各台计算机的方法，实现各台计算机之间数据的互相传送
    
    **主要特点**是
    
     网络中各种资源的共享及各台计算机之间的通信
 *  **分布式计算机系统**
    
    分布式计算机系统是用于管理分布式计算机系统
    
    **主要特点**是：
    
     *  分布性
     *  并行性

### 个人计算机操作系统 ###

目前使用最广泛的操作系统

## 1.3 操作系统的运行环境 ##

### 操作系统的运行机制 ###

计算机系统中，通常CPU执行两种不同性质的程序：一种是\*\*操作系统内核程序**；另一种是**用户自编程序**（即系统外层的应用程序，或简称“应用程序”）。前者是后者的管理者，因此内核程序要执行一些特权指令，而用户自编程序不能执行这些指令。所谓**特权指令，是指计算机中不允许用户直接使用的指令\*\*，如I/O指令、置中断指令等。`将CPU的状态分为用户态（目态）和核心态（又称管态、内核态）`。**用户自编程序运行在用户态，操作系统内核程序运行在核心态**。`当CPU处于核心态时，CPU可以执行特权指令和非特权指令；当CPU处于用户态时，只能执行非特权指令。`

内核是计算机上配置的底层软件。

1.  **时钟管理**
    
    在计算机的各种部件中，时钟是最关键的设备，时钟的第一功能是计时，操作系统需要通过时钟管理，向用户提供标准的系统事件。通过是时钟中断的管理，可以实现进程的切换。
2.  **中断机制**
    
    引入中断技术的初衷是提高多道程序运行环境中CPU的利用率，而且\*\*主要是针对外部设备。\*\*
3.  **原语**
    
    按层次结构设计的操作系统，底层必然是一些可被调用的共用小程序，各自完成一些操作。
    
    特点：
    
     *  处于操作系统的最低层，是最接近硬件的部分
     *  这些程序的运行具有原子性，其操作只能一气呵成（不会被打断）
     *  这些程序的运行时间都较短，而且调用频繁
    
    通常把具有这些特点的程序称为原语。定义原语的直接方法是关闭中断，让其所有动作不可分割的完成后再打开中断
4.  **系统控制的数据结构及处理**
    
    为了实现有效的管理，系统需要一些基本的操作，常见的操作：
    
     *  进程管理。进程状态管理、进程调度和分派、创建与撤销进程控制块（PCB）等
     *  存储器管理。存储器的空间分配和回收、内存消息保护程序、代码对换程序等
     *  设备管理。缓冲区管理、设备分配和回收等

### 中断和异常的概念 ###

> 中断：使CPU从用户态变为内核态的唯一方式

操作系统中分为核心态和用户态，操作系统内核工作在核心态，而用户程序工作在用户态。`当CPU处于核心态时，CPU可以执行特权指令和非特权指令；当CPU处于用户态时，只能执行非特权指令`。

*  中断和异常的定义
    
    ![image-20210306170509457][]
    
    **中断也称外中断**，指来自CPU执行指令以外的事件的发生。这一类中断通常是与当前指令无关的事件，即它们与当前处理机运行的程序无关。
    
    **异常也称内中断、例外或陷入（trap）**，指源自CPU执行指令内部的事件，对异常的处理一般要依赖于当前程序的运行现场，而且异常不能被屏蔽，一旦出现应立即处理
 *  中断处理的过程
    
    不同计算机的中断（指外中断）**处理过程**：
    
    1.  关中断
        
        CPU响应中断后，保护现场的过程中，CPU不应响应更高级中断源的中断请求
    2.  保存断点
        
        为保证只能中断服务程序执行完毕后能正确的返回到原来的程序。必须将原来的程序的断点（程序计数器PC）保存起来
    3.  中断服务程序寻址
        
        实质是取出中断服务程序的入口地址送入程序计数器PC
    4.  保存现场和屏蔽字
        
        进入中断服务程序后，首先保存现场，指程序状态字寄存器PSWR和某些通用寄存器的内容
    5.  开中断
        
        允许响应更高级的中断请求
    6.  执行中断服务程序
        
        中断请求的目的
    7.  关中断
        
        保证在恢复现场和屏蔽字时不被中断
    8.  恢复现场和屏蔽字
        
        将现场和屏蔽字恢复到原来的状态
    9.  开中断、中断返回
        
        使中断服务程序返回到原程序的断点处，以便继续执行原程序
    
    1—3步是CPU进入中断周期后，由硬件自动完成（**中断隐指令**）；4—9步由中断指令服务程序完成

### 系统调用 ###

**系统调用，**`是指用户在程序中调用操作系统所提供的一些子功能，系统调用可视为特殊的公共子程序`。系统中的各种共享资源都由操作系统统一保管，因此在用户程序中，凡是与资源有关的操作，都必须通过系统调用方式向操作系统提出服务请求，并由操作系统代为完成。

系统调用按功能分为：

*  设备管理
 *  文件管理
 *  进程控制
 *  进程通信
 *  内存管理

显然，系统调用相关功能必定需要使用某些特权指令才能完成，系统调用的处理需要操作系统运行在核心态。因此，用户程序可以执行**陷入指令（又称访管指令或trap指令）**，`主动放弃CPU的使用权，并将其主动交给操作系统内核程序，实现CPU状态由用户态转换为核心态`，操作系统内核程序对系统调用请求做出相应处理后，又会把CPU的使用权还给用户程序，CPU状态由核心态转换为用户态。为了防止用户程序随意更改或访问重要的系统资源，影响其他进程的运行。

> 注：程序的运行由用户态转到核心态，会用到访管指令，访管指令是在用户态使用的，不是特权指令

## 1.4 操作系统的体系结构 ##

### 大内核和微内核 ###

*  **大内核**
    
    大内核系统`将操作系统的主要功能模块都作为一个紧密联系的整体运行在核心态`，从而提高性能的系统服务。
    
    **缺点：**
    
     由于层次之间的交互关系错综复杂，定义清晰的层次间接口非常困难，复杂的交互关系也使得层次之间的界限极其模糊
 *  **微内核**
    
    微内核系统将`内核中最基本的功能（如进程管理等）保留在内核，将那些不需要再核心态执行的功能移到用户态执行`，从而降低了内核的设计复杂性。移出内核的操作系统代码根据分层的原则被划分成若干服务程序，它们的执行相互独立，交互则都借助于微内核进行通信，微内核结构有效地分离了内核与服务、服务与服务，使得它们之间的接口更加清晰，维护的代价大大降低，各部分可以独立地优化和演进，从而保证了操作系统的可靠性
    
    **缺点：**
    
     因为需要**频繁地在核心态和用户态之间进行切换**，操作系统的执行开销偏大，**降低了系统的效率，且一般来说内核的服务越少越稳定**

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