操作系统(1) 操作系统概念

╰半夏微凉° 2022-12-06 12:46 372阅读 0赞

# 操作系统概述 #

### 文章目录 ###

*  操作系统概述
 *   *  一、操作系统的概念、功能
     *   *  1. 操作系统的概念
         *  2. 操作系统的功能
     *  二、操作系统的特征
     *   *  1. 操作系统有四个特征
         *  2. 并发
         *  3. 共享
         *  4. 虚拟
         *  5. 异步
     *  三、操作系统的发展与分类
     *   *  1. 知识总览
         *  2. 手工操作阶段
         *  3. 单道批处理系统
         *  4. 多道批处理系统
         *  5. 分时操作系统
         *  6. 实时操作系统
         *  7. 其他几种操作系统
     *  四、操作系统的运行机制、体系结构
     *  五、中断和异常

## 一、操作系统的概念、功能 ##

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80OTM0MzE5MA_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]

### 1. 操作系统的概念 ###

(1) 系统资源的管理者  
(2) 向上层提供简便易用的服务  
(3) 最接近硬件的一层软件

### 2. 操作系统的功能 ###

(1) 系统资源的管理者：  
执行一个程序之前需要将该程序放到内存中才能被CPU处理  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80OTM0MzE5MA_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 1]

(2) 向上层提供简便易用的服务：  
封装思想：操作系统把硬件封装成简便易用的服务，使得用户无需关心底层硬件的原理， 只需要对操作系统发出指令即可使用计算机  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80OTM0MzE5MA_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 2]

程序接口：可以在程序中进行系统调用使用程序接口，普通用户不能直接使用程序接口，  
只能通过程序代码间接使用，比如：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80OTM0MzE5MA_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 3]  
(3) 最接近硬件的一层软件：  
操作系统对硬件机器的扩展：将CPU、内存、硬盘等硬件合理的组织起来，让各种硬件能 够相互配合，实现更多复杂的功能

1.  知识回顾：  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80OTM0MzE5MA_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 4]

## 二、操作系统的特征 ##

### 1. 操作系统有四个特征 ###

![在这里插入图片描述][20200913123323536.png_pic_center]

### 2. 并发 ###

指多个事件在同一时间间隔内发生，这些事件在宏观上是同时发生的，在微观上是交替发生的  
注意：  
(1)与并行区分，并行指的是多个事件在同一时刻同时发生  
(2)单核CPU同一时刻只能执行一个程序，各个程序只能并发执行  
(3)多核CPU同一时刻可以同时执行多个程序，多个程序可以并行执行

### 3. 共享 ###

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  
两种资源共享方式：  
![在这里插入图片描述][20200913123401673.png_pic_center]

举例：  
互斥共享方式：同一个时间段内摄像头只能分配给微信或QQ其中一个进程  
同时共享方式：微信与QQ向朋友发送文件，两个进程同时访问硬盘资源 (微观上交替)

### 4. 虚拟 ###

指把一个物理上的实体变为若干个逻辑上的对应物  
![在这里插入图片描述][2020091312340917.png_pic_center]  
虚拟存储器技术：用户只有4G运行内存，但可以运行总内存大于4G的多个软件  
虚拟处理器技术：单核CPU可以同时运行多个程序 (微观上交替)

### 5. 异步 ###

指进程的执行并不是一贯到底的，而是走走停停，以不可知的速度向前推进

1.  知识回顾：  
    ![在这里插入图片描述][20200913123416767.png_pic_center]

注意：

1.  并发与共享互为存在条件
2.  并发与共享是操作系统最基本的两个特征，没有这二者就谈不上虚拟与异步

## 三、操作系统的发展与分类 ##

### 1. 知识总览 ###

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80OTM0MzE5MA_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 5]

### 2. 手工操作阶段 ###

![在这里插入图片描述][20200913123447822.png_pic_center]

主要缺点：人机速度矛盾，资源利用率极低

### 3. 单道批处理系统 ###

引入脱机输入/输出技术(用外围机 + 磁带完成)，并由监督程序负责作业的输入输出  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80OTM0MzE5MA_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 6]

主要优点：缓解了一定程度的人机速度矛盾，资源利用率有所提高  
主要缺点：内存中只能有一道程序运行，下一道程序只有等待该程序运行结束之后才可运行， CPU有大量的时间在等待I/O完成，资源利用率仍然较低

### 4. 多道批处理系统 ###

操作系统正式诞生，用于支持多道程序并发执行  
主要优点：多道程序并发执行，共享计算机的资源，资源利用率大幅提升  
主要缺点：没有人机交互功能 (用户不能在中间控制程序的执行，只能等待计算机处理完成)

### 5. 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，用户可通过终端与计算机交互  
主要优点：解决了人机交互问题，允许多个用户使用同一台计算机，且各用户之间互相独立  
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/作业完全公平

### 6. 实时操作系统 ###

主要优点：能够优先响应一些紧急任务，某些紧急任务不需要时间片排队  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80OTM0MzE5MA_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 7]

### 7. 其他几种操作系统 ###

网路操作系统  
分布式操作系统  
个人计算机系统

1.  知识回顾：  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80OTM0MzE5MA_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 8]

## 四、操作系统的运行机制、体系结构 ##

1.  指令：指的是处理器(CPU)能识别、执行的最基本命令  
    ![在这里插入图片描述][20200913123618988.png_pic_center]
2.  两种指令：  
    ![在这里插入图片描述][2020091312362421.png_pic_center]
3.  两种处理器状态：  
    ![在这里插入图片描述][2020091312364170.png_pic_center]
4.  两种程序：  
    ![在这里插入图片描述][2020091312364927.png_pic_center]
5.  内核：  
    内核是计算机上的底层软件，是操作系统最基本、最核心的部分  
    实现内核功能的程序是内核程序  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80OTM0MzE5MA_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 9]
6.  操作系统内核示意图：  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80OTM0MzE5MA_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 10]
7.  知识回顾：  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80OTM0MzE5MA_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 11]

## 五、中断和异常 ##

1.  中断的作用：会使CPU由用户态立即变为核心态，使操作系统夺回对CPU的控制权
2.  中断是让操作系统内核夺回CPU使用权的唯一途径
3.  如果没有中断机制，一旦应用程序在CPU上运行，CPU就会一直运行这个程序，无并发可言
4.  核心态 → 用户态：执行一条特权指令，即修改PSW的标志位为用户态，表示操作系统让出CPU  
    使用权
5.  用户态 → 核心态：由中断引发，中断发生后，当前运行的进程暂停运行，并由OS内核对中断 进行处理
6.  中断的分类：  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80OTM0MzE5MA_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 12]
7.  知识回顾：  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80OTM0MzE5MA_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 13]

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