计算机系统概述

1.操作系统概念

计算机系统是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。

2.操作系统的特征

操作系统基本特征有并发、共享、虚拟、异步。

并发和共享是操作系统最基本的两个特征，互为存在条件。并发是指多个程序在单核内同一时刻内交替执行，如果需要并行执行的话需要多核。共享为多个进程可以对同一个资源访问。

虚拟技术可以将一个实体变为多个逻辑上的对应物。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

异步是程序以未知的速度走走停停。

3.操作系统的目标和功能

管理功能包括：处理机管理、存储器管理、文件管理、设备管理。

接口功能包括：命令接口和程序接口。

命令接口包括联机控制方式，比如linux的命令端，windows的cmd，macos的终端；以及脱机控制方式，类似sh，bat文件。程序接口是值由一组系统调用组成，如图形用户界面。

操作系统提供了资源管理管理功能和方便用户的各种服务功能，改造为更强的机器，覆盖了软件的机器称为扩充机器，又叫虚拟机。操作系统将硬件功能封装成简单易用的服务，供用户方便使用。

4.操作系统的分类

操作系统分为手工操作阶段、批处理阶段的单道批处理系统和多道批处理系统、分时操作系统、实时操作系统、分布式计算机系统、个人计算机系统。

手工操作阶段：输入、运行、输出都需要人工干预。

单道批处理系统内存中始终保存一道作业，作业成批运行。具有自动性、顺序性和单道性。缓解了一定的人机速度矛盾，提升了资源利用率，但依然存在高速cpu必须等待I/O完成、内存中只能执行一道程序。

多道批处理系统允许多个程序在cpu中交替运行，可以共享硬件和软件。具有多道、宏观上并行、微观上串行的特点。资源利用率高、多道程序共享计算机资源，系统吞吐量达，各资源保持忙碌状态。但存在设计复杂，需要考虑各种资源调度以及无人机交互的缺点。

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。具有同时性、交互性、独立性、及时性的特点。

实时操作系统能保证在规定时间内完成某项任务。具有及时性和可靠性的特点。

分布式计算机系统，网络中多台计算机结合在一起，可以交换信息，并行工作，协同进行。

个人计算机操作系统广泛用户文字处理、电子表格和游戏。

5.操作系统的运行机制

CPU执行两种性质的程序，操作系统内核程序和用户自编程序

内核包括时钟管理、中断机制、原语、系统控制的数据结构及处理。

时钟管理主要是提供系统标准时间，根据时钟进行进程管理。

原语处于系统最底层，最接近硬盘的部分，具有原子性，运行时间短调用频繁。

系统控制的数据结构及处理：为了实现有效管理，需要一些基本的操作，包括进程管理、存储器管理、设备管理。

6.中断与异常

为了进行用户核心态和用户态两种状态的切换，引入了中断机制。“中断”是操作系统内核夺回CPU使用权的唯一途径。核心态可以执行用户态无法执行的特权指令。

访管指令是在用户态使用，将用户态转换为核心态，不是特权指令。

中断分为外中断和内中断，内中断也可以叫异常、例外或陷入，来自于CPU执行指令内部的事件，且异常不能被屏蔽。

外中断来自于CPU指令之外的事件，I/O中断、时钟中断。

7.系统调用

用户在程序中调用系统提供的一些子功能，包括设备管理、文件管理、进程控制、进程通信
内存管理。

需要操作系统服务时使用中断进入内核态，执行系统调用，结束后退出中断处理程序，返回中断点继续执行。

8.内核态与用户态的切换

内核态转向用户态，执行一条特权指令，修改PSW(程序状态寄存器)的标志位为用户态，系统将让出CPU使用权。

用户态转内核态，由“中断”引发，硬件自动完成状态转换过程，系统夺回CPU使用权。

9.大内核与微内核

大内核将操作系统的主要功能模块进行集中，以提供高性能的系统服务。各管理模块能共享信息，能够有效利用相互之间的有效特性，具有巨大的性能优势。但层次交互关系复杂，层次接口难以定义，层次之间界限模糊。

微内核只保留最基本的功能在内核，将不需要在核心态执行的功能转移到用户态。优点能有效的分离内核与服务、服务与服务，使接口更加清晰，维护代价低，各部分可以独立优化和演进。但是存在性能问题，需要频繁切换在核心态和用户态之间切换。