操作系统学习笔记

Posted 2022-02-25 hesorchen

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了操作系统学习笔记相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

操作系统

定义

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。

计算机系统的层次结构

裸机（纯硬件）：如CPU、内存、硬盘
操作系统
应用程序：如QQ
用户

小结

操作系统的四个特征

1. 并发

指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。这些事件宏观上是同时发生的，但微观上是交替发生的（时间片）。

并行：指两个或多个事件在同一时刻内发生。

操作系统的并发性指计算机系统中同时存在着多个运行着的程序。一个单核处理机(CPU)同一时刻只能执行一个程序，因此操作系统会负责协调多个程序交替执行(这些程序微观上是交替执行的，但宏观上看起来就像在同时执行)

2. 共享

共享即资源共享，是指系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程共同使用。

资源共享又分为：

互斥共享：在同一时间段内只允许一个进程访问。
同时共享：在同一时间段内可以有多个进程并发的访问。

3. 虚拟

虚拟是指把一个物理上的实体变为若千个逻辑上的对应物。物理实体(前者)是实际存在的，而逻辑上对应物(后者)是用户感受到的。

4. 异步

异步是指，在多道程序环境下，允许多个程序并发执行，但由于资源有限，进程的执行不是一贯到底的，而是走走停停，以不可预知的速度向前推进，这就是进程的异步性。

发展与分类

一、手工操作阶段

人工在纸带上打孔，用计算机计算。

主要缺点:用户独占全机、人机速度矛盾导致资源利用率极低

二、批处理阶段——单道批处理系统

引入了外围机，加快了纸带传送速度。

主要优点：缓解了一定程度的人机速度矛盾，资源利用率有所提升。

主要缺点:内存中仅能有一道程序运行，只有该程序运行结束之后才
能调入下一道程序。CPU有大量的时间是在空闲等待I/O完成。资源利
用率依然很低。

三、批处理阶段——多道批处理系统

每次往内存中输入多道程序，操作系统正式诞生，并引入了中断技术，由操作系统负责管理这些程序的运行。各个程序并发执行。

主要优点:多道程序并发执行，共享计算机资源。资源利用率大幅提升，CPU和其他资源保持“忙碌”状态，系统吞吐量增大。

主要缺点:用户响应时间长，没有人机交互功能(用户提交自己的作业之后就只能等待计算机处理完成，中间不能控制自己的作业执行)

四、分时操作系统

计算机以时间片为单位轮流为各个用户/作业服务，各个用户可通过终端与计算机进行交互。

主要优点:用户请求可以被即时响应，解决了人机交互问题。允许多个用户同时使用一台计算机，并且用户对计算机的操作相互独立，感受不到别人的存在。

主要缺点:不能优先处理一些紧急任务。操作系统对各个用户/作业都是完全公平的，循环地为每个用户/作业服务一个时间片，不区分任务的紧急性。

五、实时操作系统:

主要优点:能够优先响应一些紧急任务，某些紧急任务不需时间片排队。
在实时操作系统的控制下，计算机系统接收到外部信号后及时进行处理，并且要在严格的时限内处理完事件。

实时操作系统的主要特点是及时性和可靠性。

小结

运行机制和体系结构

指令

特权指令：如内存清零

非特权指令：如加减乘除

两种处理器状态

用户态：只能执行非特权指令

核心态：能执行特权指令、非特权指令。

两种程序

内核程序：运行在核心态

普通应用程序：运行在用户态

操作系统的内核

内核是计算机.上配置的底层软件，是操作系统最基本、最核心的部分。
实现操作系统内核功能的那些程序就是内核程序。

两种体系结构：

中断和异常

当中断发生时，CPU立即进入核心态
当中断发生后，当前运行的进程暂停运行，并由操作系统内核对中断进行处理
对于不同的中断信号，会进行不同的处理发生了中断，就意味着需要操作系统介入，开展管理工作。由于操作系统的管理工作(比如进程切换、分配I/O设备等)需要使用特权指令，因此CPU要从用户态转为核心态。中断可以使CPU从用户态切换为核心态，使操作系统获得计算机的控制权。有了中断，才能实现多道程序并发执行。

用户态进入核心态只可以通过中断实现
核心态进入用户态通过一个特权指令，将程序状态字（PSW）的标志位设置为“用户态”