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王道操作系統 第一章 - 計算機系統概述

目錄

• 王道操作系統 第一章 - 計算機系統概述
• • • 操作系統概念
    • • • 操作系統是系統資源的管理者
        • 命令接口
    • 操作系統四個特征
    • • • 1、并發
        • 2、共享
        • 3、虛擬
        • 4、異步
    • 操作系統的發展與分類
    • • • 1、手工操作階段（紙帶機）
        • 2、批處理階段：單道批處理系統（脫機輸入/輸出技術）
        • 3、多道批處理系統（多個程序并發運行）
        • 4、分時操作系統
        • 5、實時操作系統
        • 6、網絡操作系統、分布式操作系統、個人計算機操作系統...
      • 操作系統的運行機制
      • • 兩種指令
        • 兩種處理器狀態
        • 兩種程序
      • 中斷和異常
      • • 中斷的作用
        • 中斷的類型
      • 系統調用
      • 大內核 / 微內核
      • • 1、大內核（Linux，Unix）
        • 2、微內核（Windows NT）

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操作系統概念

操作系統是計算機系統中最基本的系統軟件，目標是向上層提供方便易用的服務。

操作系統是系統資源的管理者

• 提供的功能：處理機管理、存儲器管理、文件管理、設備管理
• 目標：安全、高效

命令接口

聯機命令接口：交互式命令接口，例如 cmd

脫機命令借口：例如批處理 bat 文件

程序接口：可以在程序中進行 系統調用（即廣義指令）來使用程序接口。普通用戶不能直接使用程序接口，只能通過程序代碼間接調用

操作系統四個特征

1、并發

并發 是指多個事件在 同一時間間隔 內發生（微觀上交替），并行是指多個事件在 同一時刻 發生

2、共享

互斥共享方式（攝像頭）、同時共享方式（揚聲器）。沒有并發性，共享性就沒有存在的意義。并發和共享互為存在條件，也是最基本的兩個特征。

3、虛擬

虛擬存儲器技術（空分復用技術），虛擬處理器技術（時分復用技術）。沒有并發性，虛擬性就沒有存在的意義。

4、異步

進程的執行不是一貫到底的，而是走走停停，以不可預知的速度向前推進。只有系統擁有并發性，才有可能導致異步性。

操作系統的發展與分類

1、手工操作階段（紙帶機）

用戶獨占全機、人機速度矛盾導致資源利用率極低

2、批處理階段：單道批處理系統（脫機輸入/輸出技術）

由監督程序控制作業的輸入、輸出，資源利用率有一定的提升

3、多道批處理系統（多個程序并發運行）

操作系統正式誕生；沒有人機交互功能

4、分時操作系統

計算機以時間片為單位，為各個系統輪流提供服務，解決了人機交互問題

5、實時操作系統

硬實時系統、軟實時系統

6、網絡操作系統、分布式操作系統、個人計算機操作系統…

操作系統的運行機制

兩種指令

CPU在設計和生產的時候，就劃分了特權指令、非特權指令。因此CPU執行一條指令前，就能判斷出其類型。

• 特權指令：例如內存清零指令，只允許操作系統內核來使用
• 非特權指令：應用程序只能使用非特權指令，例如加法指令、減法指令

兩種處理器狀態

CPU 中有 程序狀態寄存器 PSW，其中用 1 表示內核態，用 0 表示用戶態。

• 內核態（管態）：CPU處于內核態時，說明正在運行的是內核程序（此時可以執行特權指令）
• 用戶態（目態）：說明正在運行的是用戶程序

轉變方式：

• 內核態 -> 用戶態：一條修改 PSW 的特權指令
• 用戶態 -> 內核態：由中斷引起，硬件自動完成

兩種程序

• 內核程序

• 應用程序

中斷和異常

中斷的作用

中斷是讓操作系統內核奪回CPU使用權的唯一途徑。

中斷的類型

• 內中斷（異常）：與當前執行的指令有關，中斷信號來源于CPU內部
  • 例如，非法除0，缺頁
  • 例如，用戶程序想請求操作系統內核的服務，會執行陷入指令。系統調用就是通過 trap 指令完成的。
• 外中斷：與當前執行的指令無關，中斷信號來源于CPU外部。CPU在每一條指令執行結束時，都會例行檢查是否有外中斷信號需要處理
  • 例如，來自時鐘部件 / IO 設備的中斷信號

系統調用

凡是與共享資源有關的操作，都必須通過系統調用完成，這樣保證系統的穩定性和安全性。

• 設備管理：完成設備的 請求 / 釋放 / 啟動
• 文件管理：完成文件的 讀 / 寫 / 創建 / 刪除
• 進程控制：進程的 創建 / 撤銷 / 阻塞 / 喚醒
• 進程通信：進程之間 消息傳遞 / 信號傳遞
• 內存管理：內存的 分配 / 回收

大內核 / 微內核

1、大內核（Linux，Unix）

將操作系統的主要功能模塊都作為系統內核，運行在核心態

優點：高性能

缺點：內核代碼龐大，結構混亂，難以維護

2、微內核（Windows NT）

只把最基本的功能保留在內核

優點：內核功能少，結構清晰，方便維護

缺點：需要頻繁在用戶態、內核態之間切換，性能低

總結

以上是生活随笔為你收集整理的操作系统：第一章 计算机系统概述的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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