哪吒社区技能树操作系统基础知识详解

Posted 2021-11-22 哪 吒

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四、操作系统概述

操作系统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，以提供给用户和其它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。

​

五、操作系统的功能和目标 -- 作为系统资源的管理者

进程是一个程序的执行过程，执行前需要将该程序放到内存中，才能被CPU处理。

​

① 操作系统作为系统资源的管理者（这些资源包括软件、硬件、文件等），需要提供什么功能？

作为系统资源的管理者

（1）提供的功能

• 处理机管理
• 存储器管理
• 文件管理
• 设备管理

（2）目标

• 安全
• 高效

用微信和朋友视频聊天的过程：

​

② 操作系统作为用户与计算机硬件之间的接口，要为其上层的用户、应用程序提供简单易用的服务，需要实现什么功能？

作为计用户和计算机硬件之间的接口

（1）提供的功能

1. 命令接口（联机命令接口、脱机命令接口）
2. 程序接口
3. GUI图形用户界面

（2）目标，方便用户使用

 命令接口：允许用户直接使用

程序接口：允许用户通过程序间接使用

GUI：现代操作系统中最流行的图形用户接口

1、命令接口

联机命令接口 = 交互式命令接口

大概的意思就是你说一句，系统做一句。

比如cmd命令：

​

 脱机命令接口 = 批处理命令接口

​

 2、程序接口

比如C:\\Windows\\System32\\user32.dll l程序员在程序中调用user32.dll（该调用即为系统调用）即可实现创建窗口等功能。只能通过用户程序间接使用。

3、GUI图形用户界面

用户可以使用形象的图形化界面进行操作，而不再需要使用复杂的命令或参数了。

③ 操作系统作为最接近硬件的层次，需要在纯硬件的基础上实现什么功能？

需要提供的功能和目标：实现对硬件机器的拓展

没有任何软件支持的计算机称为裸机，在裸机上安装操作系统，可以提供资源管理功能和方便用户的服务功能，将裸机改造成功能更强、使用更方便的机器。

通常把覆盖了软件的机器称为扩充机器，又称为虚拟机。

六、操作系统的特征

1、并发

指多个事件在同一事件间隔内交替发生。

2、并行

指多个事件在同一时刻同时发生。

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，但是宏观上看起来就像同时执行）

当今的计算机，一般都是多核CPU，比如我现在用的联想小新Pro16的CPU就是I5 11300H，它是一个四核CPU，这意味着同一时刻可以有4个程序并行执行，但是操作系统的并发性依然必不可少。因为电脑可能开着十几个应用程序，比如微信、谷歌、腾讯、酷狗音乐、Excel等等，都是需要同时工作的，而且电脑运行时，电脑系统自带的程序，也数不胜数。

 3、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。

两种资源共享的方式：

（1）互斥共享方式

系统中的某些资源，虽然可以提供给多个进程使用，但一个时间段内只允许一个进程访问该资源。

如对摄像头设备的共享使用。

（2）同时共享方式

系统中的某些资源，允许一个时间段内有多个进程“同时”对它们进行访问。

所谓的“同时”往往是宏观的，而从微观上讲，这些进程可能是交替地对该资源进行访问的，即分时共享。

如对硬盘资源的共享使用。

4、虚拟

虚拟是指把一个物理上的实体变为若干个逻辑上的对应物。物理实体是实际存在的，而逻辑上对应物是用户感知到的。

用一个例子来理解：

众所周知，一个程序需要放入内存并给它分配CPU才能执行。

GTA5游戏需要4GB的运行内存，QQ需要256MB的内存，迅雷需要250MB的内存，网易云音乐需要256MB的内存...

我的电脑4GB。

问题：这些程序同时运行需要的内存远远大于4GB，那么为什么它们还可以在我的电脑上同时运行呢？

答：这是虚拟存储器技术。实际只有4GB的内存，在用户看来似乎远远大于4GB。这应用了虚拟机技术中的“空分复用技术”。微观上处理机在各个微笑的时间段内交替为各个进程服务。

5、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，进程的执行不是一管到底的，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。

如果失去了并发性，则系统只能串行的处理各个进程，每个进程的执行会一贯到底，只有系统拥有并发性，才有可能导致异步性。

6、总结

如果没有并发和共享，就谈不上虚拟和异步，因此并发和共享是操作系统的两个最基本的特征。

七、操作系统的发展和分类

1、手工操作阶段

缺点：人机速度矛盾

2、批处理阶段

（1）单道批处理系统（引入脱机输入输出技术）

优点：缓解人机速度矛盾

缺点：资源利用率较低

（2）多道批处理系统（操作系统开始出现）

优点：多道程序并发执行，资源利用率高

缺点：不提供人机交互功能

3、分时操作系统

优点：提供人机交互功能

缺点：不能有限处理紧急任务

4、实时操作系统

（1）硬实时系统

必须在绝对严格的规定时间内完成处理

（2）软实时系统

能接受偶尔违反时间规定

（3）优点：能优先处理紧急任务

5、网络操作系统

6、分布式操作系统

7、个人计算机操作系统

八、操作系统的运行机制和体系结构

1、什么是指令

​

简单来说，指令就是处理器CPU能识别、执行的最基本命令，比如：加法指令就是让CPU进行加法运算。 

2、两种指令、两种处理器状态、两种程序

​

（1）两种指令

① 特权指令

如内存清零指令，不允许用户程序使用

② 非特权指令

如普通的运算指令

（2）两种处理器状态

① 用户态

此时CPU只能执行非特权指令

② 核心态

特权指令、非特权指令都可以执行

用程序状态字寄存器中的某标志位来标识当前处理器处于什么状态。如0为用户态，1为核心态。

（3）两种程序

① 内核程序

操作系统的内核程序时系统的管理者，既可以执行特权指令，也可以执行非特权指令，运行在核心态。

② 应用程序

为了保证系统能安全运行，普通应用程序只能执行非特权指令，运行在用户态。

3、操作系统中的哪些功能应该由内核程序实现呢？

​

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。

（1）与硬件关联较紧密的模块

① 时钟管理

实现计时功能

② 中断处理

负责实现中断功能

③ 原语

是一种特殊的程序
出于操作系统最底层，是最接近硬件的部分
这种程序的运行具有原子性，其运行只能一气呵成，不可中断
运行时间较短、调用频繁
（2）对系统资源进行管理的功能

• 进程管理
• 存储器管理
• 设备管理

有的操作系统不把这部分功能归为“内核功能”，也就是说，不同的操作系统，对内核功能的划分可能并不一样。

4、操作系统的体系结构可以分为大内核和微内核。

（1）大内核：

• 将操作系统的主要功能模块都作为系统内核，运行在核心态
• 优点：高性能
• 缺点：内核代码庞大，结构混乱，难以维护

（2）微内核：

• 只把最基本的功能保留在内核。
• 优点：内核功能少，结构清晰，方便维护
• 缺点：需要频繁地在核心态和用户态之间切换，性能

九、中断和异常

1、中断的概念和作用

1. 当中断发生时，CPU立即进入核心态
2. 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
3. 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IO设备等）需要使用特权指令，因此CPU要从用户态切为核心态。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。

用户态和核心态的切换是通过中断实现的，并且中断是唯一途径。

2、中断的分类

（1）内中断

信号来源：CPU内部

① 陷阱

有意而为之的异常，如系统调用

② 故障

由错误条件引起的，可能被故障处理程序修复，如缺页。

③ 终止

不可恢复的错误造成的结果，终止处理程序不再将控制返回给引发终止的应用程序，如整数除0。

（2）外中断

信号来源：CPU外部

① IO中断请求

② 人工干预

3、外中断的处理过程

执行完每个指令后，CPU都要检查当前是否有外部中断信号
如果检测到外部中断信号，则需要保护被中断进程的CPU环境（如程序状态子PSW、程序计数器PC、各种通用寄存器）
根据中断信号类型转入相应的中断处理程序
恢复原进程的CPU环境并退出中断，返回原进程继续往下执行

十、系统调用

1、什么是系统调用

系统调用是操作系统提供给应用程序使用的接口，可以理解为一种可供应用程序调用的特殊函数，应用程序可以发出系统调用请求来获得操作系统的服务。

2、系统调用作用

应用程序通过系统调用请求操作系统的服务，服务中的各种共享资源都由操作系统统一掌管，因此在用户程序中，凡是与资源有关的操作（如存储分配、IO操作、文件管理等），都必须通过系统调用的方式向操作系统提出服务请求，由操作系统代为完成。这样可以保证系统的稳定性和安全性，防止用户进行非法操作。

3、系统调用的分类

1. 设备管理（完成设备的请求、释放、启动等功能）
2. 文件管理（完成文件的读写、创建、删除等功能）
3. 进程控制（完成进程的创建、撤销、阻塞、唤醒等功能）
4. 进程通信（完成进程之间的消息传递、信号传递等功能）
5. 内存管理（完成内存的分配、回收等功能）

系统调用相关处理涉及到对系统资源的管理，对进程的控制，这些功能需要执行一些特权指令才能完成，因此系统调用的相关处理需要在核心态下进行。

4、系统调用的过程简介

​

 传递系统调用参数 -> 执行陷入指令（用户态） -> 执行系统调用相应服务程序（核心态） -> 返回用户程序。

小总结：

1. 陷入指令是在用户态执行的，执行陷入指令之后立即引发一个内中断，从而CPU进入核心态
2. 发出系统调用请求的是用户态，而对系统调用的相应处理在核心态下进行
3. 陷入指令是唯一一个只能在用户态执行，而不可在核心态执行的指令

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