一、操作系统的基本概念

1、操作系统的概念

• 操作系统：指控制和管理整个计算机系统的硬件与软件资源，合理地组织、调度计算机的工作与资源的分配，进而为用户和其他软件提供方便接口与环境的程序集合

• 为上层用户，应用程序提供简单易用的服务

• 是计算机系统中最基本的系统软件

2、操作系统的特征

• 并发和共享是最基本的两个特征，两者互为存在条件：
• 资源共享是以程序的并发为条件的，若系统不允许程序并发执行，则自然不存在资源共享问题
• 若系统不能对资源共享实施有效的管理，则必将影响到程序的并发执行，甚至根本无法执行

• 如果失去了并发性，则一个时间段内系统中只需运行一道程序，那么就失去了实现虚拟性的意义了。因此，没有并发性，就谈不上虚拟性

• 如果失去了并发性，即系统只能串行地运行各个程序，那么每个程序的执行会一贯到底。只有系统拥有并发性，才有可能导致异步性

（1）并发

• 并发：两个或多个事件在同一时间间隔内发生

• 并行：系统具有同时进行运算或操作的特性，在同一时刻能完成两种或两种以上的工作
• 可并行的有【处理机与设备】【处理机与通道】【设备与设备】
• 不可并行的有【进程与进程】

• 引入进程的目的是使程序能够并发执行

• 注意：
• 单核 CPU 同一时刻只能执行一个程序，各个程序只能并发地执行
• 多核 CPU 同一时刻可以同时执行多个程序，多个程序可以并行地执行

（2）共享

• 共享：指系统中的资源可供内存中多个并发执行的程序共同使用
• 互斥共享方式：
• 规定一段时间内只允许一个进程访问该资源【称为临界资源】
• A 访问完并释放该资源后，才允许另一进程访问
• 如：计算机系统中的大多数物理设备及某些软件中所有的栈、变量和表格
• 同时访问方式：
• 宏观上，一段时间内由多个进程“同时”访问某类资源
• 微观上，进程之间可能交替对该资源进行访问
• 如：磁盘设备，一些可重入代码编写的文件

（3）虚拟

• 虚拟：指将一个物理上的实体变为若干逻辑上的对应物

• 用于实现虚拟的技术称为虚拟技术
• 时分复用技术：如虚拟处理器
• 空分复用技术：如虚拟存储器

（4）异步

• 进程的异步性：由于资源有限，进程的执行不是一贯到底的，而是走走停停的，它以不可预知的速度向前推进

3、操作系统的功能和目标

（1）操作系统作为计算机系统资源的管理者

1）处理器管理

• 处理机的分配和运行都以进程（或线程）为基本单位

• 对处理器的管理可归结为对进程的管理

• 主要功能：进程控制+进程同步+进程通信+死锁处理+处理机调度

2）存储器管理

• 为了给多道程序的运行提供良好的环境，方便用户使用及提高内存的利用率

• 主要功能：内存分配与回收+地址映射+内存保护+共享和内存扩充

3）文件管理

• 计算机的信息都是以文件的形式存在的

• 操作系统重负责文件管理的部分称为文件系统

• 主要功能：文件存储空间的管理+目录管理+文件读写管理和保护

4）设备管理

• 主要是完成用户的I/O请求，方便用户使用各种设备，提高设备的利用率

• 主要功能：缓冲管理+设备分配+设备处理+虚拟设备

（2）操作系统作为用户与计算机硬件系统之间的接口

1）命令接口

• 用户利用这些操作命令来组织和控制作业的执行

• 联机命令接口【交互式命令接口】：
• 适用于分时或实时系统的接口
• 由一组键盘操作命令组成
• 用户发送一个命令，系统就执行一次，主要特点是交互性

• 脱机命令接口【批处理命令接口】：
• 适用于批处理系统的接口
• 由一组作业控制命令组成
• 用户一次性发送命令清单，系统按清单执行，中途不能干预

2）程序接口

• 可以在程序中进行系统调用来使用程序接口

• 普通用户不能直接使用程序接口，只能通过程序代码间接使用

（3）操作系统实现了对计算机资源的扩充

• 裸机：没有任何软件支持的计算机，仅构成计算机系统的物质基础

• 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

• 扩充机器/虚拟机：覆盖了软件的机器

二、操作系统的发展历程

1、手工操作阶段

• 此阶段无操作系统

• 所有工作都要人工干预

• 缺点：
• 用户独占全机，资源利用率低
• CPU 等待手工操作，CPU 的利用不充分

2、批处理阶段

• 为了解决人机矛盾及 CPU 和 I/O 设备之间速度不匹配的矛盾，出现了批处理系统

（1）单道批处理系统

• 引入脱机输入/输出技术（用外围机+磁带完成），并由监督程序负责控制作业的输入、输出

• 特点：自动性、顺序性、单道性

• 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

• 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

（2）多道批处理系统

• 允许多个用户将若干个作业提交给计算机系统集中处理

• 当某道程序因请求 I/O 操作而暂停运行时，通过中断机制，CPU 转去运行另一道程序

• 特点：多道、宏观上并行、微观上串行

• 优点：
• 资源利用率高，多道计算机共享计算机资源，从而使各种资源得到充分利用
• 系统吞吐量大，CPU 和其他资源保持“忙碌”状态

• 缺点：
• 用户的响应时间较长
• 不提供人机交互能力

3、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

• 特点：同时性（多路性）、交互性、独立性、及时性

• 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

• 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

4、实时操作系统

• 为了能在某个时间限制内完成某些紧急任务而不需要时间片排队

• 硬实时系统：某个动作必须绝对地在规定的时刻（或规定的时间范围）发生【飞机的飞行自动控制系统】

• 软实时系统：能够接受偶尔违反时间规定且不会引起任何永久性的损害【飞机订票系统、银行管理系统】

• 特点：及时性、可靠性

• 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

5、其他几种操作系统

• 网络操作系统：是伴随着计算机网络的发展而诞生的，能把网络中各个计算机有机地结合起来，实现数据传送等功能，实现网络中各种资源的共享（如文件共享）和各台计算机之间的通信（如：Windows NT 就是一种典型的网络操作系统，网站服务器就可以使用）

• 分布式操作系统：主要特点是分布性和并行性。系统中的各台计算机地位相同，任何工作都可以分布在这些计算机上，由它们并行、协同完成这个任务

• 个人计算机操作系统：如 Windows XP、MacOS，方便个人使用

三、操作系统的运行环境

1、处理器运行模式

• CPU 执行两种不同性质的程序：内核程序和应用程序

• 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

• 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

（1）两种指令

1）特权指令

• 指不允许用户直接使用的指令

• 如：对 I/O 设备操作指令、存取特殊寄存器的指令、有关访问程序状态的指令、置中断指令、关中断指令、清内存指令、置时钟指令

2）非特权指令

• 允许用户直接使用的指令

• 不能直接访问系统中的软硬件资源，只限于访问用户的地址空间

• 如：访管指令（trap）

（2）两种处理器状态

1）核心态【管态、内核态】

• 此时运行的是内核程序，可以执行特权指令

• 只能在核心态运行的指令和程序：
• 时钟管理相关的指令【置时钟指令】
• 中断机制相关的指令【时钟中断程序】
• 原语相关的指令
• 系统控制的数据结构与处理【进程调度程序】【进程切换】【缺页处理程序】【系统调用命令】
• 停机指令
• 屏蔽中断指令
• 输入输出指令

2）用户态【目态】

• 此时运行的是用户程序，只能执行非特权指令

• 在用户态运行的指令和程序/发生的事件：
• 命令解释程序【属于命令接口，面向用户】
• 修改内存单元的值
• 访管/Trap 指令，跳转指令，压栈指令
• 广义指令 (系统调用) 的调用
• 外部中断，缺页

3）如何变态

• 内核态 ---> 用户态：执行一条特权指令——修改 PSW 的标志位为“用户态”，这个动作意味着操作系统将主动让出 CPU 使用权

• 用户态 ---> 内核态：由“中断”引发，硬件自动完成变态过程，触发中断信号意味着操作系统将强行夺回 CPU 的使用权

• 注意：
• CPU 中的程序状态字寄存器（PSW），其中有个二进制位，1 表示“内核态”，0 表示“用户态”
• 需要操作系统介入的地方，都会触发中断信号

（3）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

1）与硬件关联紧密的模块

• 时钟管理：实现计时功能

• 中断处理：负责实现中断机制

• 原语：
• 是一种特殊的程序
• 处于操作系统最底层，是最接近硬件的部分
• 该程序运行具有原子性（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

• 设备管理：完成设备的请求和释放，以及设备启动等功能

• 进程管理：完成进程的创建，撤销，阻塞及唤醒等功能

• 存储器管理：完成内存的分配，回收以及获取作业占用内存区大小及地址等功能

2、中断和异常

（1）基本概念

（2）中断处理和子程序调用的比较

3、系统调用

（1）基本概念

• 操作系统对应用程序和程序员提供的接口

• 系统调用需要触发陷入指令（Trap）

• OS 通过提供系统调用避免用户程序直接访问外设

• 在用户程序中，凡是与资源有关的操作（存储分配、I/O 传输及管理文件等）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，保证系统的稳定性和安全性

• 每个系统调用都有唯一的系统调用号

（2）系统调用与库函数的区别

• 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
• 许多库函数都会使用系统调用来实现功能
• 有的库函数没有使用系统调用

• 系统调用：
• 是操作系统的一部分，是内核为用户提供的程序接口，运行在内核空间
• 系统调用要完成上下文的切换和状态的转换，因此未使用系统调用的库函数，执行效率较高

（3）按功能分类

• 设备管理：完成设备的请求或释放+设备启动

• 文件管理：完成文件的读+写+创建+删除

• 进程控制：完成进程的创建+撤销+阻塞+唤醒

• 进程通信：完成进程之间的信息传递或信号传递

• 内存管理：完成内存的分配+回收+获取作业占用内存区大小及始址

（4）系统调用的过程

1. 传参

2. 陷入指令/Trap/访管【执行系统调用】，发生在用户态

3. 由操作系统内核程序处理系统调用请求，发生在内核态

4. 返回应用程序

（5）系统调用与一般过程调用的区别

1）运行状态不同

• 一般过程调用的调用过程和被调用过程运行在同一系统状态【用户态或内核态】

• 系统调用的调用过程是运行在用户态，被调用过程是运行在内核态

2）软中断进入机制

• 一般的过程调用可直接由调用过程转向被调用过程

• 系统调用不允许由调用过程直接转向被调用过程，一般通过软中断机制，先进入操作系统内核，经内核分析后才转向相应命令处理程序

3）返回及重新调度

• 一般过程调用被调用结束后，返回调用点继续执行

• 系统调用被调用完后，要对系统中所有运行进程重新调度

• 只有当调用进程仍具有最高优先权才返回调用过程继续执行

• 系统调用一般保存PSW和PC的值

• 一般过程调用只需保存PC的值

四、操作系统结构

• 微内核定义：只把核心功能放入内核，其余功能用用户进程的形式运行在用户态

• 微内核优点：
• 内核足够小
• 基于C/S模式
• 应用机制与策略分离原理
• 采用面向对象技术

• 微内核缺点：
• 执行效率不高
• 开销较大

五、操作系统引导

• 操作系统引导：指计算机利用 CPU 运行特定程序，通过程序识别硬盘，识别硬盘分区，识别硬盘分区上的操作系统，最后通过程序启动操作系统常见操作系统的引导过程如下：



1. 激活 CPU：激活的 CPU 读取 ROM 中的 boot 程序，将指令寄存器置为 BIOS (基本输入/输出系统) 的第一条指令，即开始执行 BIOS 的指令
2. 硬件自检：BIOS 程序在内存最开始的空间构建中断向量表，接下来的 POST 过程要用到中断功能，然后通过通电自检，检查硬件是否出现故障
3. 加载带有操作系统的硬盘：BIOS 将控制权交给启动顺序排在第一位的存储设备，CPU 将其引导扇区的内容加载到内存中
4. 加载主引导记录（MBR）：硬盘以特定的标识符区分引导硬盘和非引导硬盘【MBR 告诉 CPU 去硬盘的哪个主分区去找操作系统】
5. 扫描硬盘分区表，并加载硬盘活动分区：MBR 包含硬盘分区表，以特定标识符区别活动分区和非活动分区，MBR 识别含有操作系统的硬盘分区（活动分区）后，加载并将控制权交给活动分区
6. 加载分区引导记录（PBR）：读取活动分区的第一个扇区【分区引导记录 PBR】，其作用是寻找并激活分区根目录下用于引导操作系统的程序 (启动管理器)
7. 加载启动管理器
8. 加载操作系统注意：

• 自检程序 ---> 引导装入程序/自举装入程序 ---> 引导程序 ---> 操作系统

• 操作系统被装入 RAM 中

• 自举程序 BIOS 装在 ROM 中

• 引导程序装在硬盘中

六、虚拟机

• 虚拟机：使用虚拟化技术，将一台物理机器虚拟化为多台虚拟机器（VM），每个虚拟机器都可以独立运行一个操作系统