1.1 操作系统概念

定义

管理cs的硬件和软件 →OS是系统资源的管理者

提供给用户/软件方便的接口和环境 →向上层提供方便的服务

cs系统中最基本的**==系统软件== ** →是最接近硬件的一层软件

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功能

==一.OS是系统资源的管理者==

  • 文件管理（U4）
  • 存储器管理（U3）
  • 处理机管理（U2）
  • 设备管理（U5）

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二.向上层提供方便的服务

  • GUI（图形用户界面）

  • 命令接口

    • 联机命令接口（交互式命令接口）【用户说一句，系统做一句】

    • 脱机命令接口（批处理接口）【用户说一堆，系统做一一堆】

  • 程序接口： 程序接口由系统调用构成 。

    • 普通用户无法直接调用，通过运行包含系统调用的程序来间接使用系统功能。
    • 程序员编程阶段可以使用系统调用来请求内核。

  • 用户接口 == 命令接口 + 程序接口

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三.最接近硬件的一层软件

  • 没有任何软件支持的计算机称为裸机
  • OS实现对硬件机器的扩展，把计算机变成虚拟机。

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特征

并发

  • 宏观同时发生，微观上交替发生。
  • 并行：同时发生。
  • 多核CPU可以实现真正意义上的并行。单核CPU只能并发。

共享

互斥共享方式：一个时间段只允许一个进程访问资源。

同时共享方式：一个时间段允许多个进程 “同时” 访问资源【此处的同时依旧是 并发，而不是并行。】。

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并发和共享互为存在条件⭐

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虚拟

虚拟空分复用技术：虚拟存储器

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时分复用技术：虚拟处理器（把一个时间单位细分为多个，交替进行各个进程）

  • 不同于超线程。超线程是硬件层面的。虚拟处理器是软件层面的。

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异步

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小结⭐

共享和并发是OS系统的最基本的特征。

并发和共享互为存在条件。

虚拟和异步的前提是并发性和共享性。

1.2 发展与分类

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手工操作阶段

低效（人机速度矛盾）

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批处理阶段 – 单道批处理系统

优点：换届人机速度矛盾

缺点：CPU有空闲（资源利用率低）

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批处理阶段 – 多道批处理系统

优点：CPU不空闲（多道程序像流水线一样并发执行）

缺点：没有人机交互功能。

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分时操作系统

计算机以时间片为单位==轮流==为各个用户服务，各个用户可以通过终端和计算机交互。

优点：有人机交互功能。

缺点：不能处理紧急任务。

实时操作系统

  • 优点：能处理紧急事件。（紧急任务不需时间片排队）
    • 特点：及时性，可靠性。
  • 硬实时操作系统：必须在严格的规定时间完成处理（eg导弹）
  • 软实时操作系统：可以偶尔的违反时间规定。

小结

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1.3 运行机制

运行机制

1.内核程序 和 应用程序

  • OS中最核心的是内核（Kernel）
  • 内核由多个内核程序构成。（写操作系统的人完成的）
  • 应用程序：普通人用到的程序

2.特权指令 和 非特权指令

  • 就像sudo指令，**==申请超级管理员帮我们==**执行特权指令，修改操作系统。
  • CPU执行一条指令前就能判断出指令类型（特权指令还是非特权指令）
  • 内核态可以执行特权指令。
  • 用户态只能执行非特权指令。

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3.内核态 和 用户态

  • CPU怎么区分运行的指令是关于内核程序还是应用程序的呢？

  • 内核态 → 用户态 ：修改==PSW的标志位==为“用户态”（是一条特权指令），操作系统让出CPU使用权。

  • 用户态 → 内核态 ：由“中断”引发，OS拿回CPU的使用权（from 用户）

    • tips：触发“中断”的时候，一般也是需要操作系统介入的时候。

  • 内核态=核心态=管态，用户态=目态

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4.小结

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中断和异常

中断分为：

  • 内中断（异常）：与当前的指令有关。中断信号来源于CPU内部。

  • 外中断：与当前执行的指令无关。中断信号来源于CPU外部。

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内中断：

如果发现当前执行的指令是非法的，会引发中断信号。OS此时拿到CPU控制权，执行中断服务程序。

  • （陷入Trap也属于内中断，因为是插入一条特权指令让CPU发现）
  • 例子1：试图在用户态下执行特权指令
  • 例子2：执行除法指令发现除数为0
  • 例子3：有时候应用程序想请求内核服务，此时会执行“陷入指令”，该指令会引发中断信号。
    • 系统调用就是通过陷入指令完成的。

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外中断：

  • 例子1：时钟中断 – 由时钟部件发来的中断信号。
  • 例子2：IO中断 – 由输入输出设备发来的中断信号

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中断机制的原理

检测：异常是指令执行中一直都会检测。中断是指令的执行周期后会有一个中断周期来检测。

找到中断服务程序：所以CPU检测到中断信号后，会根据信号类型去查询 “中断向量表”。（不同的中断信号，需要用不同的中断程序来处理。）

所以显然中断程序是内核程序。需要在”内核态”中运行。

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系统调用

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**==系统调用：是接口==**。是由OS提供给应用程序/程序员，来请求获得OS内核服务的接口。

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库函数：

有的库函数设计系统调用，有的库函数不涉及系统调用。

涉及系统调用的库函数：把一些 系统调用封装成库函数 ，提供给程序员方便编程。

应用程序可以进行系统调用，也可以使用库函数。

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系统调用的必要性

OS对==共享资源==进行统一的管理，向上提供“系统调用”，保证系统的稳定性安全性。（否则会出现像打印的文件内容混杂的情况）

与共享资源有关的操作：存储分配，IO操作，文件管理等。image-20260318171421203

系统调用的过程

过程： 传参 – 陷入指令/Trap（用户态） – 由操作系统内核程序处理系统调用请求（内核态） – 返回应用程序

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1.4 操作系统体系结构

设计内核。

（考试考前两个）

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操作系统的内核⭐

内核是OS最核心的部分。

大内核：橙色和黄色两部分。

微内核：只有黄色一行。

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内核的构成：

  • 时钟管理，负责计时
  • 中断处理
  • 原语，是一种特殊的程序。在os的最底层。运行只能一气呵成不能中断。
  • 对系统资源进行管理的功能

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大内核和微内核

大内核（宏内核/单内核）：高性能。但内核难以维护（代码庞大）。【Linux，UNIX】

微内核：内核功能少，结构清晰，易于维护。但频繁在用户态/内核态切换会影响性能。【Windows NT】

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OS系统不同结构的对比

分层结构 ， 模块化 ， 大内核 ， 微内核 ， 外核

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1.5 操作系统引导

– 开机的时候，操作系统怎么运行起来的？

C盘是活动分区，因为安装了操作系统

（ROM断电数据不消失，所以引导程序放在ROM里面）

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1.6 虚拟机

第一类VMM：①分配的是物理内存（类似外核）。②本身就是操作系统，运行在最高特权级，直接管理硬件。③优点是支持更多的虚拟机。且性能更好。

第二类VMM：①分配是虚拟内存。②主体作为应用程序运行在用户态；当需要执行特权指令时，通过加载的内核模块协助完成。③优点是可迁移性更好，导出镜像文件就可以迁移。

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