第二轮复习 408 操作系统（概述）

操作系统的概述

操作系统是控制和管理整个计算机系统的硬件与软件管理整个计算机硬件于软件资源，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

操作系统的目标与特征

操作系统作为计算机系统资源的管理者

• 处理机管理：进程控制、进程通信、死锁处理、处理机调度
• 存储器管理：内存分配、地址映射、内存保护和内存扩充等功能
• 文件管理：操作系统中负责文件管理的部分称为文件系统，文件管理包括文件存储空间的管理，目录管理以及文件读写管理和保护等。
• 设备管理：设备管理的主要任务是完成用户的I/O请求，并提高设备的利用率

操作系统作为用户与计算机之间的接口

• 命令接口：交互式命令接口，批处理式接口
• 程序接口：程序接口由一组系统调用组成

操作系统实现了对计算机资源的扩充

操作系统发展历程

手工操作阶段
批处理阶段

• 单道批处理阶段的主要特征：自动性，顺序性，单道性
• 多道批处理阶段：用户所提交的作业都先存放在外存上并排成一个队列，作业调度程序按一定的算法从后备队列中选择若干作业掉入内存，他们在管理程序的控制下互相穿插地运行，共享系统的各种软硬件资源
• 分时操作系统：将处理器的运行时间分成很短的时间片。按照时间片轮流讲处理器分配给各联机作业使用
• 实时操作系统：为了能在时间限制内完成某些紧急而不需要排队
• 网络操作系统和分布式计算机系统
• 个人计算机操作系统

操作系统的运行环境

处理器运行模式

CPU要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。

• 特权指令：指不允许用户直接使用的指令：I/O指令、关中断指令、内存清零指令、存取用于内存保护的指令、将PSW送到程序状态寄存器中
• 非特权指令：用户直接使用的指令
  在具体实现上，将CPU的运行模式化为用户态和核心态，访管指令是在用户态执行的。

内核包括4方面内容

• 时钟管理：时钟管理衡量一个作业的运行程度
• 中断机制：键盘或鼠标信息的输入、进程的管理和调度、系统功能的调用、设备驱动、文件访问无不依赖中断机制
• 原语：定义原语的方式应该是关中断，系统中设备驱动、CPU切换、进程通信都可以被定义为原语
• 系统控制的数据结构及处理
  • 进程管理：进程管理、进程调度和分派、创建与撤销进程控制块
  • 存储器管理：存储器的空间分配和回收、内存信息保护程序、代码对换程序
  • 设备管理：缓冲区管理、设备的分配和回收

核心态指令实际上包括系统调用类指令和一些对针对时钟、中断和原语的操作指令

中断和异常的概念

中断，是指来自CPU执行外部命令的事件通常用于信息输入输出，设备发出的I/O结束中断，表示设备输入输出已经完成
异常：是指来自CPU执行指令内部的事件
GPT有意思的对比

系统调用

系统调用时指用户在程序中调用操作系统所提供的一些子功能：

• 设备管理：完成设备的请求和释放
• 文件管理：完成进程的创建和撤销
• 进程通信：完成进程之间的消息传递或信号传递
• 进程控制：完成进程的创建、撤销、阻塞以及唤醒
• 内存管理：完成内存的分配、回收以及获取作业

系统调用的过程

操作系统结构

分层法
分层法是将操作系统分为若干层，底层为硬件，顶层为用户接口
模块化
模块化是将操作系统按功能划分为若干具有一定独立性。每个模块具有某方面的管理方法，并规划好各模块间的接口，使各模块之间能够接口进行通信
宏内核
宏内核也称大内核，指系统主要功能模块作为一个紧密联系的整体运行在核心态
微内核
微内核和多个服务器操作系统的绝大部分功能都放在微内核的一组服务器中实现，微内核运行在核心态、其他模块运行在用户态
机制与策略分离将机制部分与硬件紧密部分放入微内核中

• 进程管理：进程通信、切换、调度都应该放入微内核。如实现调度功能，需要在进程管理中设置一个或多个进程优先队列这属于机制部分，而对用户进程如何分类等策略放在管理器中
• 低级存储器管理：在微内核中只配置最基本的低级存储器管理机制，如用于页表机制和地址变换机制，这一部分是硬件的机制，而采用何种方式是策略
• 中断和陷入处理

外核
外核虚拟机（Exokernel Virtual Machine）通过简化虚拟机监控器（VMM）的功能，仅提供基础的资源管理和保护，让虚拟机直接访问和管理底层硬件资源。

操作系统引导

操作系统是一种程序，程序以数据的形式存放在硬盘，而硬盘分为多个区，操作系统引导是只计算机利用CPU运行特定程序，通过识别硬盘，硬盘分区
上的操作系统，最后启动操作系统。
常见的操作系统的引导过程如下：

1. 激活CPU。激活的CPU读取ROM中的程序，将指令寄存器设置为BIOS的第一条指令
2. 硬件自检：BIOS在内存最开始的空间构建中断向量表，接下来的POST过程要用到中断功能呢，然后通电自检，检查硬件是否有问题，如故障会显示CPU、内存、硬盘等信息
3. 加载带有操作系统的硬盘。
4. 加载主引导记录。
5. 扫描硬盘分区表
6. 加载分区引导记录
7. 加载启动管理器
8. 加载操作系统