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操作系统
第一章 计算机系统概述
2022 5/3
1.1操作系统的基本概念
四大特征：
1、并发 两个或多个事件在同一时间间隔内发生
2、共享
3、虚拟
4、异步
并发和共享是操作系统两个最基本的特征
三大功能
1、作为计算机系统资源的管理者
包括：处理机管理、存储器管理、文件管理、设备管理
2、作为用户与计算机硬件系统之间的接口
分为命令接口和程序接口
命令接口：1、联机命令接口 类似cmd命令窗口 “说一句做一句”
2、脱机命令接口，又称批处理命令接口 “说一堆之后逐条处理”
程序接口：由一组系统调用组成（也称广义命令），例如图形用户界面（GUI）通过调用程序接口实现。
3、实现了对计算机资源的扩充
题目：
1、计算机开机后，操作系统最终被加载到 RAM
说明库函数和系统调用之间的区别？
答：库函数是语言或应用程序的一部分，运行在用户空间之中。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，运行在内核之中。有的库函数会使用系统调用来实现功能。
1.2 操作系统发展历程
手工操作阶段—>批处理阶段—>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
手工操作阶段 缺点：1、用户独占全机，资源利用率低 2、CPU等待手工操作
批处理阶段 1、单道批处理系统 主要特征：1、自动性 2、顺序性 3、单道性 缺点：依旧利用率低
2、多道批处理系统 特点：宏观上并行，微观上串行
优点：资源利用率高
缺点：用户响应时间较长，不提供人机交互能力
分时操作系统 通过时间片轮流的把处理机分配作业 主要特征：同时性、交互性、独立性、及时性
实时操作系统 为了完成某些紧急任务而不需要时间片排队 主要特点：及时性 和 可靠性
题目：是否是中断技术使得多道批处理系统的I/O设备可与CPU并行工作？
答：多道程序设计技术允许同时把多道程序放入内存，并允许他们交替在CPU中运行，它们共享系统中的软硬件资源，当一道程序因I/O请求而暂停运行，CPU转而运行另一道程序，即多道批处理系统的I/O设备可与CPU并行工作，借助于中断技术实现。
1.3 操作系统运行环境
处理器运行模式
CPU的运行模式划分为用户态（目态）和核心态（管态）
特权指令：运行在核心态， 不允许用户直接使用的指令，如I/O指令、置中断指令，存取用于内存保护的寄存器，送程序状态字道程序状态字寄存器等的指令
非特权指令：允许用户直接使用的指令，不能直接访问系统中的软硬件资源
内核：计算机上配置的底层软件，包括四个方面
1、时钟管理 2、中断机制 3、原语
4、系统控制的数据结构及处理
进程管理：例如进程状态管理、进程调度和分配、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
设备管理：缓冲区管理、设备分配和回收
中断和异常
CPU从核心态到用户态的唯一途径就是通过中断或异常，通过硬件完成
1、中断和异常的定义
中断也称外中断，是指来自CPU执行指令外部的时间，例如，设备发出的I/O结束中断，时钟中断
异常也称内中断，指来自CPU执行指令内部的事件，如程序的非法操作码、地址越界、运算溢出、虚存系统的缺页及专门的陷入指令等
系统调用
用户在程序中调用操作系统所提供的一些子功能，功能大致包括：设备管理、文件管理、进程管理、进程通信、内存管理
系统调用执行过程：执行用户程序->调用系统调用->执行陷入指令（运行在用户态）->执行完后CPU从用户态进入核心态，并执行系统调用->处理完成后，CPU从核心态变成用户态
一些由用户态到核心态转变的例子：
1、中断引起
2、系统调用
3、用户程序企图执行特权指令
若程序的运行由用户态转到核心态，则会用到访管指令，访管指令是在用户态使用，所以不是特权指令
题目：
1、不可能在用户态发生的事件是（C）
A.系统调用 B.外部中断 C.进程切换 D.缺页
2、与中断相关的操作中，由操作系统完成的是（）
A.保存被中断程序的中断点 B.提供中断服务 C.初始化中断向量表 D.保存中断屏蔽字
答：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）,接下来执行中断服务程序，保存程序状态字寄存器（PSW），保存中断屏蔽字，各种通用寄存器的值，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内核
3、访存时缺页属于中断 （❌） 缺页属于异常
4、时钟中断的主要工作是处理和时间有关的信息及决定是否执行调度程序，和时间有关的所有信息包括系统时间、进程的时间片、延时、使用CPU的时间、各种定时器。
1.4 操作系统结构
1、分层法
将操作系统分成若干层，最底层为硬件，最高层为用户接口。每层只能调用紧邻它的低层的功能和服务（单向依赖）
优点：1、便于系统的调试和验证，简化了系统的设计和实现 2、易扩充和易维护
缺点：1、依赖关系定义后，不够灵活 2、效率差，每次执行，都得自上而下，各层之间的层间通信机制，导致系统效率降低
2、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的模块，设计标准：高内聚低耦合
优点：1、提高了操作系统设计的正确性、可理解性和可维护性 2、增强了操作系统的可适应性 3、加速开发过程
缺点：1、模块间的接口难以满足实际需求 2、各模块设计者齐头并进，每个决定无法建立在上一个已经验证的正确决定的基础上，无法找到一个可靠顺序
从操作系统内核结构可分为：宏内核和微内核
3、宏内核
将系统的主要功能模块都作为一个联系紧密的整体运行在核心态，为用户程序提供高性能的系统服务
例如Windows、ios、macos、Linux等
4、微内核
将内核中最基本的功能保留在内核，将那些不要在核心态运行的功能移到用户态执行，降低内核设计复杂性
基于客户/服务器模式
基本功能（采用“机制与策略分离”）：
1、进程（线程）管理 2、低级存储器管理 3、中断和陷入处理
特点：1.扩展性和灵活性 2、可靠性与安全性 3、可移植性 4、分布式计算
5、外核
1.6虚拟机
1、第一类虚拟机管理程序 ：就像一个操作系统，在裸机上运行并具备多道程序功能，可向上层提供若干台虚拟机。
2、第二类虚拟机管理程序：依赖于windows、Linux等操作系统分配和调度资源的程序
题目：
计算机操作体统的引导程序为于（D）
A.主板BIOS B.片外Cache C.主存ROM区 D.硬盘
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