第一章 计算机系统概述

1.1操作系统的基本概念

1.1.1操作系统的概念

在信息化时代，软件是计算机系统的灵魂，而作为软件核心的操作系统，已与现代计算机系统密不可分、融为一体。计算机系统自下而上可大致分为4部分:硬件、操作系统、应用程序和用户（这里的划分与计算机组成原理中的分层不同)。操作系统管理各种计算机硬件，为应用程序提供基础，并充当计算机硬件与用户之间的中介。
操作系统(Operating System，OS）是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。操作系统是计算机系统中最基本的系统软件。

1.1.2操作系统的特征

操作系统的基本特征包括并发、共享、虚拟和异步。

1.并发
并发是指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。操作系统的并发性是指计算机系统中同时存在多个运行的程序，因此它具有处理和调度多个程序同时执行的能力。在操作系统中，引入进程的目的是使程序能并发执行。
【易混概念】
并行：指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。
并发：指两个或多个事件在同一时间发生。

2.共享
资源共享即共享，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。共享可分为以下两种资源共享方式。
（1）互斥共享方式
系统中的某些资源，虽然可供多个进程使用，但为使得所打印或记录的结果不致造成混淆，应规定在一段时间内只允许一个进程访问该资源，如打印机、磁带机。
临界资源：把在一段时间内只允许一个进程访问的资源称为临界资源。计算机系统中的大多数物理设备及某些软件中所用的栈、变量和表格，都属于临界资源，它们都要求被互斥地共享。
（2）同时访问方式
系统中的某些资源，允许在一段时间内由多个进程“同时”访问。这里所说的“同时”通常是宏观上的，而在微观上，这些进程可能是交替地对该资源进行访问即“分时共享”的。可供多个进程“同时”访问的典型资源是磁盘设备，一些用重入码编写的文件也可被“同时”共享，即允许若干个用户同时访问该文件。

并发和共享的联系
并发和共享是操作系统两个最基本的特征，两者之间互为存在的条件:①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；②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，甚至根本无法并发执行。

3.虚拟
虚拟是指把一个物理上的实体变为若干逻辑上的对应物。物理实体（前者〉是实的，即实际存在的；而后者是虚的，是用户感觉上的事物。用于实现虚拟的技术，称为虚拟技术。操作系统中利用了多种虚拟技术来实现虚拟处理器、虚拟内存和虚拟外部设备等。
虚拟处理器技术是通过多道程序设计技术，采用让多道程序并发执行的方法，来分时使用一个处理器的。利用多道程序设计技术把一个物理上的CPU虚拟为多个逻辑上的CPU，称为虚拟处理器。
操作系统的虚拟技术可归纳为:时分复用技术，如处理器的分时共享、空分复用技术，如虚拟存储器。

4.异步
多道程序环境允许多个程序并发执行，但由于资源有限，进程的执行并不是一贯到底的，而是走走停停的，它以不可预知的速度向前推进，这就是进程的异步性。
异步性使得操作系统运行在一种随机的环境下，可能导致进程产生与时间有关的错误。

1.1.3操作系统的目的和功能

为了给多道程序提供良好的运行环境，操作系统应具有以下几方面的功能:处理机管理、存诸器管理、设备管理和文件管理。为了方便用户使用操作系统，还必须向用户提供接口。同时，操作系统可用来扩充机器，以提供更方便的服务、更高的资源利用率。

1.操作系统作为计算机系统资源的管理者
(1）处理机管理
在多道程序环境下，处理机的分配和运行都以进程（或线程）为基本单位，因而对处理机的管理可归结为对进程的管理。
进程管理的主要功能包括进程控制、进程同步、进程通信、死锁处理、处理机调度等。
(2）存储器管理
存储器管理是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，主要包括内存分配与回收、地址映射、内存保护与共享和内存扩充等功能。
(3)文件管理
计算机中的信息都是以文件的形式存在的，操作系统中负责文件管理的部分称为文件系统。文件管理包括文件存储空间的管理、目录管理及文件读写管理和保护等。
(4）设备管理
设备管理的主要任务是完成用户的I/O请求，方便用户使用各种设备，并提高设备的利用率，主要包括缓冲管理、设备分配、设备处理和虚拟设备等功能。。

2.操作系统作为用户与计算机硬件系统之间的接口
为了让用户方便、快捷、可靠地操纵计算机硬件并运行自己的程序，操作系统还提供了用户接口。操作系统提供的接口主要分为两类:一类是命令接口，用户利用这些操作命令来组织和控制作业的执行；另一类是程序接口，编程人员可以使用它们来请求操作系统服务。
(1）命令接口
使用命令接口进行作业控制的主要方式有两种，即联机控制方式和脱机控制方式。按作业控制方式的不同，可将命令接口分为联机命令接口和脱机命令接口。
联机命令接口又称交互式命令接口，适用于分时或实时系统的接口，它由一组键盘操作命令组成。用户通过控制台或终端输入操作命令，向系统提出各种服务要求。用户每输入一条命令，控制权就转给操作系统的命令解释程序，然后由命令解释程序解释并执行输入的命令，完成指定的功能。之后，控制权转回控制台或终端，此时用户又可输入下一条命令。联机命令接口可以这样理解:“雇主”说一句话，“工人”做一件事，并做出反馈，这就强调了交互性。
脱机命令接口又称批处理命令接口，适用于批处理系统，它由一组作业控制命令组成。脱机用户不能直接干预作业的运行，而应事先用相应的作业控制命令写成一份作业操作说明书，连同作业一起提交给系统。系统调度到该作业时，由系统中的命令解释程序逐条解释执行作业说明书上的命令，从而间接地控制作业的运行。脱机命令接口可以这样理解:“雇主”把要“工人”做的事写在清单上，“工人”按照清单命令逐条完成这些事，这就是批处理。
(2）程序接口
程序接口由一组系统调用（也称广义指令）组成。用户通过在程序中使用这些系统调用来请求操作系统为其提供服务，如使用各种外部设备、申请分配和回收内存及其他各种要求。

图形用户界面(GUI)，即图形接口。GUI最终是通过调用程序接口实现的，用户通过鼠标和键盘在图形界面上单击或使用快捷键，就能很方便地使用操作系统。严格来说，图形接口****不是操作系统的一部分，但图形接口所调用的系统调用命令是操作系统的一部分。

3.操作系统实现了对计算机资源的扩充
没有任何软件支持的计算机称为裸机，它仅构成计算机系统的物质基础，而实际呈现在用户面前的计算机系统是经过若干层软件改造的计算机。裸机在最里层，其外面是操作系统。操作系统所提供的资源管理功能和方便用户的各种服务功能，将裸机改造成功能更强、使用更方便的机器；因此，我们通常把覆盖了软件的机器称为扩充机器或虚拟机。

1.2操作系统发展历程

1.2.1手工操作阶段(此阶段无操作系统)

手工操作阶段有两个突出的缺点:①用户独占全机，人机速度矛盾导致资源利用率低。②CPU等待手工操作，CPU的利用不充分。

1.2.2批处理阶段(操作系统开始出现)

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），并由监督程序负债控制作业输入输出。主要特征：自动性、顺序性、单道性。
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后才能调入下一道程序。CPU有大量时间等待I/O完成。资源利用率任然很低。

2.多道批处理系统
多道程序设计技术允许多个程序同时进入内存并允许它们在CPU中交替地运行，这些程序共享系统中的各种硬/软件资源。
主要特征：多道、宏观上并行、微观上串行。
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和其他资源更能保持“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，用户既不能了解自己的程序的运行情况，又不能控制计算机。

1.2.3分时操作系统

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。
主要特征：同时性、交互性、独立性、及时性。
主要优点:用户请求可以被即时响应，解决了人机交互问题。
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。

1.2.4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，诞生了实时操作系统。这里的时间限制可以分为两种情况:若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，则称为硬实时系统，如飞行器的飞行自动控制系统，这类系统必须提供绝对保证，让某个特定的动作在规定的时间内完成。若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，则称为软实时系统，如飞机订票系统、银行管理系统。
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。

1.2.5网络操作系统和分布式计算机系统

网络操作系统把计算机网络中的各台计算机有机地结合起来，提供一种统一、 经济而有效的使用各台计算机的方法，实现各台计算机之间数据的互相传送。
网络操作系统最主要的特点是网络中各种资源的共享及各台计算机之间的通信。
分布式计算机系统是由多台计算机组成并满足下列条件的系统:系统中任意两台计算机通过通信方式交换信息；系统中的每台计算机都具有同等的地位，即没有主机也没有从机；每台计算机上的资源为所有用户共享；系统中的任意台计算机都可以构成一个子系统，并且还能重构；任何工作都可以分布在几台计算机上，由它们并行工作、协同完成。用于管理分布式计算机系统的操作系统称为分布式计算机系统。
分布式计算机系统的主要特点是:分布性和并行性。
分布式操作系统与网络操作系统的本质不同是，分布式操作系统中的若干计算机相互协同完成同一任务。

1.2.6个人计算机操作系统

个人计算机操作系统是目前使用最广泛的操作系统，它广泛应用于文字处理、电子表格、游戏中，常见的有Windows、Linux 和Macintosh等。操作系统的发展历程如图1.1所示。

此外，还有嵌入式操作系统、服务器操作系统、智能手机操作系统等。

1.3操作系统运行环境

1.3.1处理器运行模式

计算机系统中，通常CPU执行两种不同性质的程序: 一种是操作系统内核程序；另一种是用户自编程序(即系统外层的应用程序，或简称“应用程序”)。

“指令”就是处理器(CPU) 能识别、执行的最基本命令
1）特权指令，是指不允许用户直接使用的指令，如I/O指令、置中断指令，存取用于内存保护的寄存器、送程序状态字到程序状态字寄存器等的指令。
2）非特权指令，是指允许用户直接使用的指令，它不能直接访问系统中的软硬件资源，仅限于访问用户的地址空间，这也是为了防止用户程序对系统造成破坏。

CPU的运行模式划分为用户态(目态)和核心态(又称管态、内核态)。用户自编程序运行在用户态，操作系统内核程序运行在核心态。
CPU两种状态，“内核态”和“用户态”
处于内核态时，说明此时正在运行的是内核程序，此时可以执行特权指令
处于用户态时，说明此时正在运行的是应用程序，此时只能执行非特权指令
拓展: CPU中有一个寄存器叫程序状态寄存器（PSW），其中有个二进制位，1表示“内核态”， 0表示“用户态”

1.时钟管理
在计算机的各种部件中，时钟是最关键的设备。时钟的第一功能是计时，操作系统需要通过时钟管理，向用户提供标准的系统时间。另外，通过时钟中断的管理，可以实现进程的切换。

2.中断机制
引入中断技术的初衷是提高多道程序运行环境中CPU的利用率，而且主要是针对外部设备的。后来逐步得到发展，形成了多种类型，成为操作系统各项操作的基础。例如，键盘或鼠标信息的输入、进程的管理和调度、系统功能的调用、设备驱动、文件访问等,无不依赖于中断机制。可以说，现代操作系统是靠中断驱动的软件。
中断机制中，只有一小部分功能属于内核，它们负责保护和恢复中断现场的信息，转移控制权到相关的处理程序。这样可以减少中断的处理时间，提高系统的并行处理能力。

3.原语(Atomic Operation)
1)处于操作系统的最低层，是最接近硬件的部分。
2)这些程序的运行具有原子性，其操作只能一气呵成(出于系统安全性和便于管理考虑)。
3)这些程序的运行时间都较短，而且调用频繁。
定义原语的直接方法是关闭中断，让其所有动作不可分割地完成后再打开中断。系统中的设备驱动、CPU切换、进程通信等功能中的部分操作都可定义为原语，使它们成为内核的组成部分。

4.系统控制的数据结构及处理
系统中用来登记状态信息的数据结构很多，如作业控制块、进程控制块(PCB)、 设备控制
块、各类链表、消息队列、缓冲区、空闲区登记表、内存分配表等。为了实现有效的管理，系统
需要-些基本的操作，常见的操作有以下3种:
1)进程管理。进程状态管理、进程调度和分派、创建与撤销进程控制块等。
2)存储器管理。存储器的空间分配和回收、内存信息保护程序、代码对换程序等。
3)设备管理。缓冲区管理、设备分配和回收等。

1.3.2中断和异常的概念

CPU上会运行两种程序，一种是操作系统内核程序，一种是应用程序。“中断”会使CPU由用户态变为内核态，使操作系统重新夺回对CPU的控制权。
“中断”是让操作系统内核夺回CPU使用权的唯一途径。
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：电“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

1.中断和异常的定义
2.中断和异常的分类
外中断可分为可屏蔽中断和不可屏蔽中断。可屏蔽中断是指通过INTR线发出的中断请求，通过改变屏蔽字可以实现多重中断，从而使得中断处理更加灵活。不可屏蔽中断是指通过NMI线发出的中断请求，通常是紧急的硬件故障，如电源掉电等。此外，异常也是不能被屏蔽的。
异常可分为故障、自陷和终止。故障(Fault)通常是由指令执行引起的异常，如非法操作码、缺页故障、除数为0、运算溢出等。自陷(Trap) 是一种事先安排的“异常”事件，用于在用户态下调用操作系统内核程序，如条件陷阱指令。终止(Abort)是指出现了使得CPU无法继续执行的硬件故障，如控制器出错、存储器校验错等。故障异常和自陷异常属于软件中断(程序性异常)，终止异常和外部中断属于硬件中断。

3.中断和异常的处理过程
不同的中断信号，需要用不同的中断处理程序来处理。当CPU检测到中断信号后，会根据中断信号的类型去查询“中断向量表”，以此来找到相应的中断处理程序在内存中的存放位置。
通常情况下，对中断和异常的具体处理过程由操作系统(和驱动程序)完成。

1.3.3系统调用

“系统调用”是操作系统提供给应用程序（程序员/编程人员）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，应用程序可以通过系统调用来请求获得操作系统内核的服务。系统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、进行IO传输及管理文件等)，都必须通过系统调用方式向操作系统提出服务请求，并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。系统调用按功能大致可分为如下几类。

• 设备管理。完成设备的请求或释放，以及设备启动等功能。
• 文件管理。完成文件的读、写、创建及删除等功能。
• 进程控制。完成进程的创建、撤销、阻塞及唤醒等功能。
• 进程通信。完成进程之间的消息传递或信号传 递等功能。
• 内存管理。完成内存的分配、回收以及获取作业占用内存区大小及始址等功能。

注意:由用户态进入核心态，不仅状态需要切换，而且所用的堆栈也可能需要由用户堆栈切
换为系统堆栈，但这个系统堆栈也是属于该进程的。
若程序的运行由用户态转到核心态，则会用到访管指令，访管指令是在用户态使用的，所以
它不可能是特权指令。

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