第一章计算机系统概述.md

第一章计算机系统概述

1.1.1操作系统的概念

什么是操作系统？

• 操作系统：
  • 控制和管理整个计算机系统硬件和软件资源，
  • 合理的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。

操作系统的作用？

• 控制和管理整个计算机系统硬件和软件资源，
• 合理的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。

操作系统的诞生历史是什么？

操作系统作为系统资源的管理者（硬件，软件，文件等），需要提供什么功能？

• 补充知识：进程是一个程序的执行过程，需要将程序放到内存中，才能被CPU处理
• 处理机管理
• 存储器管理
• 文件管理
• 设备管理
  • 目标：安全高效

操作系统作为用户和计算机硬件之间的接口，要为其用户，应用程序提供简单易用的服务，需要实现什么功能？

• 命令接口：（允许用户直接使用）

  • 联机命令接口：用户说一句，系统执行一句
  • 脱机命令接口（批处理命令接口）：用户说一堆命令，系统执行一堆

• 程序接口：用户程序间接使用

• 图形用户界面

操作系统最接近硬件的层次，需要在纯硬件的基础上，实现什么功能？

• 实现对硬件机器的拓展
• 裸机：没有任何软件支持的计算机。在裸机上安装的操作系统，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。又称之为虚拟机

1.1.2操作系统的特征

• 并发
• 共享
  • 并发和共享是最基本的特征，二者互为存在条件
• 虚拟
• 异步

并发

• 两个或多个时间在同一时间间隔内发生。宏观上是同时的，但微观上是交替发生的。

并行

• 两个或多个事件在同一时刻同时发生。

什么是 操作系统的并发性？

• 计算机系统同时存在着多个运行着的程序
• 一个单核处理器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。

什么是共享

• 共享即资源的共享，系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程共同使用
  • 互斥共享：一个时间段内允许一个进程访问该资源
  • 同时共享：一个时间段内由多个进程”同时（宏观）“对他们进行访问

什么是虚拟？

• 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受到的。

虚拟技术：

• 空分复用技术（虚拟存储器技术）
• 时分复用技术（虚拟处理机）

什么是异步？

• 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。而是不可预知的速度向前推进，这就是进程的异步性。

1.1.3操作系统 的发展和分类

• 手工操作阶段：

  • 缺点：用户独占主机，人机速度矛盾导致资源利用率极低

• 单道批处理系统：引入脱机输入/输出，并有 监督程序负责控制作业的输入输出。

  • 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：内存中只有一道程序运行，只有该程序运行结束之后才能调入下一道程序。CPU有大量的时间未被应用

• 多道批处理系统：每次往内存中输入多道程序——》并引入了中断技术，由操作系统负责管理这些程序的运行。

  • 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，系统吞吐量大
  • 主要缺点：用户响应时间长，没有人机交互功能

• 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：用户请求可以被及时响应，解决了人机交互问题。允许多个用户同时使用一台计算机，并且用户对计算机操作相互独立。
  • 主要缺点：不能优先处理一些紧急任务。操作系统是对各个用户/作业完全公平的，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。

• 实时操作系统：能够优先响应一些紧急任务，某些紧急任务不需要时间片排队。

  • 在实时操作系统的控制下，计算机接收到外部信号后及时处理。并且要在严格的时限内处理完事件。 特点;及时性和可靠性‘
  • 硬实时系统：必须在严格的规定时间内完成处理
  • 软实时系统：能接受偶尔违反时间规定
  • 优点：优先处理紧急任务

1.1.4操作系统的运行机制

• 指令：CPU能识别的最基本指令

  • 特权指令

  • 非特权指令

    • CPU如何判断当前是否乐于执行特权指令？

      两种处理器状态

    • 1.当处理器处于用户态时（目态），此时CPU只能执行非特权指令。

    • 2.当处理器处于核心态时（管态），特权和非特权指令都可执行。

    • 用**程序状态字寄存器（PSW）**中的某标志位来识别当前用户处理器处于什么状态。0为用户态，1为核心态。

• 两种程序：内核程序和应用程序

  • 内核程序：操作系统的内核程序是系统的管理者。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
  • 应用程序：为了保证系统能够安全的运行，普通应用程序只能执行非特权指令，运行在用户态

• 特权指令只能在核心态下执行

• 内核程序只能在核心态下执行

• 核心态，用户态之间的切换

操作系统的内核

• 内核功能和非内核功能
• 什么是内核？
  • 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
• 内核功能包括
  • 时钟管理
  • 中断处理
  • 原语：一种特别的程序，是处于最底层，最接近硬件的部分，这种程序的运行具有原子性，运行是一气呵成的，不能中断，运行时间短，调用频繁。
  • 进程管理，存储器管理，设备管理等功能

操作系统的体系结构

• 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
• 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，性能低

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1.1.5 中断和异常

• 诞生：为了实现多道程序并发执行而引入的一种技术
• 当中断发生时，CPU立即进入核心态

中断的概念和作用

• 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
• 发生中断，就意味着需要操作系统的接入，开展管理工作。由于操作系统的管理工作需要使用特权指令，因此CPU要从用户态转为核心态。中断可以使得CPU从用户态切换为核心态，使得操作系统获得对计算机的控制权。有了中断，才能实现多道程序并发执行。
  • 用户态，核心态之间的切换时怎么实现的？
    • 答：“用户态-->核心态""是通过中断实现的，并且中断是唯一途径。
    • ”核心态-->用户态“的切换是通过执行一个特权指令，将程序状态字ＰＳＷ的标志位设置为”用户态“。

中断的分类

• 内中断
  • 信号来源：CPU内部，与当前执行的指令有关
    • 自愿中断：指令中断。如系统调用时使用的访管指令（又叫陷入指令）
    • 强迫中断：硬件故障，软件中断
• 外中断
  • 信号来源CPU外部
    • 外设请求
    • 人工干预

外中断的处理过程

• 每条指令执行结束之后，CPU检查是否有外部中断信号
• 若有外部中断信号，则保护被中断进程的CPU环境
• 根据中断信号的类型转入相应的中断处理程序
• 恢复进程的ＣＰＵ环境并退出中断，返回源进程继续往下执行

1.1.6 系统调用

什么是系统调用，有何作用

• 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，应用程序应该可以发出系统调用请求来获得操作系统的服务
• 作用：应用程序通过系统调用请求操作系统的服务。系统中的各种共享资源都由操作系统统一掌控，因此在用户程序中，凡是与资源有关的操作，都必须通过系统调用的方法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。
• 分类： 设备管理，文件管理，进程控制，进程通信，内存管理
• 凡是与资源有关的操作，会影响到其他进程的操作，一定需要操作系统介入，既需要通过系统调用实现。

系统调用和库函数的区别

• 库函数是语言或应用程序的一部分，可以运行在用户空间中。而系统调用是操作系统的一部分，是内核提供给用户的程序接口，运行在内核空间中，而且许多的库函数都会使用系统调用实现功能，如在linux下C中的fopen、fclose、fwrite等文件操作函数其底层就是通过open、close、write等系统调用是实现的。没有使用系统调用的库函数，执行效率通常比系统调用高。因为使用系统调用时，需要通过中断进行上下文的切换以及由用户态向核心态的转移。

系统调用背后的过程

• 传递系统调用参数->执行陷入指令（在用户态的时候执行）->执行系统调用相应服务程序（核心态）->返回用户程序。
  • 注意：
    • 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
    • 发出系统调用请求是在用户态，而对系统调用的相应处理在核心态下进行
    • 陷入指令是唯一 一个只能在用户态执行的指令，而不可在核心态执行的指令。