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001.计算机系统概述.md

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1 操作系统的基本概念

1.1 操作系统的特征

  • 并发
  • 共享
    • 互斥共享:同一时刻,仅允许一个进程访问,例如打印机
    • 同时访问:一段时间允许多个进程访问,例如,磁盘
  • 虚拟
    • 时分复用技术:处理器的分时共享
    • 空分复用技术:虚拟存储器
  • 异步:多道程序走走停停,进程以不可预知的速度前进

1.2 操作系统的目标和功能

  • 作为计算机系统资源的管理者
    • 处理机管理
    • 存储器管理
    • 文件管理
    • 设备管理
  • 作为用户与计算机硬件系统之间的接口
    • 命令接口
      • 联机命令接口:交互式命令接口
      • 脱机命令接口:批处理系统,提交一组作业。
    • 程序接口:图形用户界面(GUI)
  • 用作扩充机器:覆盖了软件的机器称为扩充机器,又称虚拟机

2 操作系统的发展与分类

  • 手工操作阶段
  • 批处理阶段
    • 单道批处理系统
    • 多道批处理系统
  • 分时操作系统
    • 将处理器运行时间划分为时间片,将时间片分配给不同作业/用户从而占用处理机
    • 同时性、交互性、独立性、及时性
  • 实时操作系统
    • 保证在规定时间内完成某项规定任务
  • 分布式计算机系统
  • 个人计算机系统

3 操作系统的运行环境

程序运行的过程其实就是 CPU 执行机器指令的过程。

3.1 操作系统的运行机制

CPU 执行两种性质程序:内核程序、用户自编程序

内核:

  • 时钟管理:操作系统对用户提供标准时间,根据时钟对进程进行管理,实现进程切换。
  • 中断管理:提高多道程序运行环境中的 CPU 利用率。
  • 原语(运行原子性):处于系统的最底层,最接近硬件。
    • 进程管理
    • 存储器管理
    • 设备管理

3.2 中断与异常

中断机制:为了核心态与用户态切换。

核心态可以执行用户态无法执行的特权指令

  • 中断(外中断):CPU 指令之外的事件发生(I/O中断、时钟中断)
  • 异常(内中断):CPU 执行指令内部的事件(非法操作码、除零、算术溢出)

系统调用:

  • 设备功能
  • 文件管理
  • 进程管理
  • 进程通信
  • 内存管理

3.3 用户态与内核态

处于内核态(核心态、管态):运行内核程序,执行特权指令

处于用户态(目态):运行应用程序,执行非特权指令

CPU 有一个寄存器叫程序状态字寄存器(psw),1 代表 内核态,0 代表 用户态

4 大内核与为内核

  • 大内核:操作系统的主要功能进行集中,提供服务
  • 微内核:将内核中的基本功能(如:进程管理)保留在内核中,不需要的核心态功能转移到用户态。(性能问题,需要频繁的用户态与内核态之间切换