王道操作系统笔记（一）————操作系统概述-创新互联

文章目录

• 一、操作系统基本概念
• • 1.1 基本概念
  • 1.2 四大特征
  • 1.3 目标和功能
• 二、操作系统的分类与发展
• 三、操作系统的运行环境
• • 3.1 运行机制
  • 3.2 中断和异常
  • 3.3 系统调用
• 四、操作系统的体系结构
• • 4.1 宏内核与微内核
  • 4.2 分层结构
  • 4.3 模块化
  • 4.4 外核
• 五、操作系统引导
• 六、虚拟机

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一、操作系统基本概念 1.1 基本概念

  操作系统（Operating System， OS）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；以提供给用户和其他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。

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并发、共享、虚拟、异步。

• 1. 并发只在同时发生，微观上是交替发生。
  2. 并发 是指同一时间间隔内发生，并行 是指同一时刻发生。
  3. 单核cpu同一时刻只能执行一个程序，各程序只能并发执行。
   多核cpu同一时刻可同时执行多个程序，多个程序可并行执行。
  4. 并发与共享是两个最基本的特征，二者互为存在条件。
  5. 共享 分为：互斥共享方式和同时共享方式：
   互斥共享方式：在一段时间内只允许一个进程访问该资源。
   同时共享方式：允许在一段时间内有多个进程同时访问。
  6. 虚拟技术 分为：空分复用技术（如虚拟存储器技术）和时分复用技术（如虚拟处理器技术）

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1.3 目标和功能

1. 作为系统资源的管理者

   提供功能：处理机管理、存储器管理、文件管理、设备管理
   目标：安全、高效

2. 向上层提供方便易用的服务

   给 一般用户直接使用的接口：
      图形接口：如 GUI
      命令接口：联机命令接口、脱机命令接口（区别在于一行和一堆）

   给 应用程序/编程人员 使用的接口：
      程序接口（系统调用），即通过程序间接使用。

3. 最接近硬件的软件
   
    

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二、操作系统的分类与发展

  

  单道批处理与多道批处理的区别：

  
  注：多道批处理的并行，对于单核cpu指的是I/O与CPU并行。

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三、操作系统的运行环境 3.1 运行机制

1. 两种指令：特权指令 和 非特权指令
   操作系统内核作为 “管理者”，有时会让CPU执行一些特权指令，这些指令只允许 “管理者” 来执行。

   常见的特权指令：
    ① 开中断指令、关中断指令
    ② 写时钟指令（置时钟指令）
    ③ 写入/输出指令（I/O指令）
    ④ 写 PSW 寄存器指令（访问程序状态指令）
    ⑤ 内存清零指令

2. 两种处理器状态：内核态 和 用户态
   处于内核态时，说明正在运行的是内核程序，即可执行特权指令，又可执行非特权指令。
   处于用户态时，说明正在运行的是应用程序，只能执行非特权指令。
   其中，内核态又称目态，内核态又称管态。

   内核态→用户态：一条修改 PSW 的特权指令。
   用户态→内核态：由中断引起，硬件自动完成。触发中断信号意味着 OS 将强行夺回CPU的使用权。
      如：① 请求系统内核服务，CPU在用户态下执行陷入指令，引发中断，意味着应用程序主动将 CPU 控制权还给操作系统。
        ② 试图在用户态下执行特权指令，引发 OS 变成内核态，夺回 CPU 使用权等

   注：陷入指令 = 访管指令 = trap指令

3. 两种程序：内核程序 和 应用程序

4. 三者关系：操作系统的内核程序，即可运行特权指令，又可运行非特权指令，程序运行在核心态。普通应用程序只能运行非特权指令，运行在用户态。

   注：中断处理程序一定是内核程序，其运行在内核态。

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3.2 中断和异常

中断是让操作系统夺回CPU使用权的唯一途径。

1. 中断的分类：
   
   注：故障（Fault）和自陷（Trap）统称为 软件中断，终止（Abort）是 硬件中断。

2. 中断机制的基本实现原理：

   1. 检查中断信号：
      内中断：CPU在执行指令时，会检查是否有异常发生。
      外中断：每个指令周期末尾，CPU都会检查是否有外中断信号需处理。
   2. 找到相应的中断处理程序：
      硬件向量法（中断向量法）、软件查询法

3. 中断处理时保存的数据：

   1. 硬件负责：PC、PSW
   2. OS负责：其他有 “必要” 保存的数据（如：通用寄存器）、中断屏蔽字
          若此类寄存器在中断处理中不使用，则不用保存。

4. 中断处理完整流程：

   ① 当 CPU 检测到中断信号后，由硬件自动保存被中断程序的断点（即程序计数器 PC）。
   ② 硬件找到该中断信号对应的中断向量，中断向量指明中断服务程序入口地址（各中断向量统一存放在中断向量表中，该表由操作系统初始化）。
   ③ 开始执行中断服务程序，保存 PSW、中断屏蔽字、各通用寄存器的值，并提供与中断信号对应的中断服务，中断服务程序属于操作系统的内核。

   操作系统完成： 提供中断服务、初始化中断向量表、保存中断屏蔽字（来源：20年408第25题）

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3.3 系统调用

  系统调用是操作系统给 编程人员/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，应用程序可以通过系统调用来请求获得操作系统内核的服务。

1. 系统调用与库函数的区别：
   库函数有时会对系统调用进行封装，以隐藏系统调用的一些细节，如“创建一个新文件”的函数。但也存在不涉及系统调用的库函数，如“取绝对值”的函数。编程人员调用库函数，会使得编程更加方便。

2. 涉及系统调用的功能：
   应用程序通过系统调用请求操作系统的服务。而系统中的各种共享资源都由操作系统内核统一掌管，因此凡是与共享资源有关的操作（如存储分配、I/O操作、文件管理等），都必须通过系统调用的方式向操作系统内核提出服务请求，由操作系统内核代为完成。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. 系统调用过程：
   

   过程： 传递系统调用参数 → 执行陷入指令（用户态）→ 执行相应的内请求核程序处理系统调用（内核态）→ 返回应用程序
   注意： 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，使CPU进入核心态
       ②发出系统调用请求是在用户态，而对系统调用的相应处理在核心态下进行
       ③陷入指令 = 访管指令 = trap指令

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四、操作系统的体系结构 4.1 宏内核与微内核

1. 操作系统的内核
   

   注：① 宏内核，又名：大内核、单内核
     ② 操作系统内核需要运行在内核态
     ③ 操作系统的非内核功能运行在用户态

2. 操作系统内核功能
   

   1. 宏内核与微内核对比
      若应用程序的一个服务处理同时涉及进程管理、存储管理、设备管理，宏内核需要 2 次 “变态”，而微内核需要 6 次 “变态”。
      
      注：处理器两种状态之间的转换是有成本的。
      

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4.2 分层结构

分层法是将操作系统分为若干层，最底层是硬件，最高层是用户接口，煤层智能调用紧邻它的低层的功能和服务（单向依赖）。

  

优点： ①便于调试和验证，自底向上逐层调试验证。
    ② 易扩充和易维护，各层之间调用接口清晰固定。
缺点： ① 仅可调用相邻低层，难以合理定义各层的边界。
    ②效率低，不可跨层调用，系统调用执行时间长。

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4.3 模块化

模块化是将操作系统按功能划分为若干个具有一定独立性的模块，各模块之间相互协作。

内核 = 主模块 + 可加载内核模块
主模块：只负责核心功能，如：进程调度、内存管理等
可加载内核模块：可以动态加载新模块到内核而无需重新编译整个内核，如：设备驱动程序

  

优点： ① 模块间逻辑清晰易于维护，确定模块间接口后即可多模块同时开发。
    ②支持动态加载新的内核模块(如:安装设备驱动程序、安装新的文件系统模块到内核)，增强OS适应性。
    ③任何模块都可以直接调用其他模块，无需采用消息传递进行通信，效率高。
缺点： ① 模块间的接口定义未必合理、实用。
    ② 模块间相互依赖，更难调试和验证。

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4.4 外核

内核负责进程调度、进程通信等功能，外核负责为用户进程分配未经抽象的硬件资源，且由外核负责保证资源使用安全。

优点： ①外核可直接给用户进程分配 “不虚拟、不抽象” 的硬件资源，使用户进程可以更灵活的使用硬件资源。
    ②减少了虚拟硬件资源的 “映射层”，提升效率。
缺点： ① 降低了系统的一致性。
    ② 使系统变得更加复杂。

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五、操作系统引导

引导流程：
① 激活的 CPU 读取 ROM 中的自举程序，开始执行 BIOS 程序中的指令，并开始进行硬件自检。
② 将磁盘的第一块，主引导记录 MBR 读入内存，执行磁盘引导程序，其会扫描分区表，得知活动分区位置。
③ 从活动分区（又称主分区，即安装了操作系统的分区 C盘）读入分区引导记录 PBR，执行其中的程序，负责找到 “启动管理器”。
④ 从根目录下找到完整的操作系统初始化程序（即 启动管理器）并执行，完成开机的一系列动作。

注：操作系统最终被加载到 RAM 中。

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六、虚拟机

理解： 第一类操作系统直接运行在硬件之上，第二类操作系统类似在 win 系统下安装的 VMware 软件。

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