1、操作系统基本概念

• 现在计算机系统由一个或者多个处理器、主存、磁盘、打印机、键盘、鼠标、显示器、网络接口及各种输入输出设备组成。

一、计算机历史与计算机硬件介绍

1、计算机历史

• 操作系统的历史发展与其所运行的计算机体系结构紧密联系，尤其和硬件的发现相关联

1、第一代（45-55），真空管和穿孔打卡
2、第二代（55-65），晶体管和批处理系统
3、第三代（65-80），集成电路和多道程序设计
4、第四代（98-至今），个人计算机
5、第五代（90-至今），移动计算机

2、计算机硬件简介

• 操作系统与运行操作系统的计算机硬件联系紧密，操作系统扩展了计算机指令集并管理计算机资源

（1）处理器

• cpu是计算机的大脑，它从内存中取出指令并执行它（cpu不断完成从内存中取出指令，解码以及确定其类型和操作数，然后执行的周期工作）
• 每一套cpu都拥有一套可执行的专门指令集（所以x86处理器不能执行ARM程序，ARM处理器不能处理x86程序）
• 用来缓解cpu处理器执行指令的时间和内存获取指令和数据的时间差，出现了寄存器（保存关键变量和临时数据）
• 多数的cpu有两种模式，内核态和用户态，内核态中cpu可以执行指令集中的每一条指令，并且使用硬件的每种功能。用户程序在用户态下运行，仅允许执行整个指令集的一个子集和访问所有功能的一个子集。
• 为了从操作系统中获取服务，用户程序必须使用系统调用以陷入内核并调用操作系统

（2）存储器

• 存储器系统的顶层是cpu中的寄存器，下一层是高速缓存，在下一层是主存。是存储系统的主力，通常称为随机访问存储器RAM

  
  操作系统访问时间分布

（3）磁盘

• 磁盘和主存相比，访问速度慢了很多，但是容量大了很多，常用于存储持久化的数据
• 磁盘、固态硬盘、虚拟内存

（4）io设备、总线等

二、操作系统基本概念

1、基本概念

• 计算机系统自下而上可粗分为四个部分：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和软件资源，并合理地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的程序集合。
• 软件中最基础的部分是操作系统，操作系统运行在内核态中，这个模式下，操作系统具有对硬件资源的完全访问权，可以执行机器能够运行的任何指令。而软件的其余部分运行在用户态下面，用户态下面，只能使用机器指令中的一个子集。

• 同时操作系统与用户程序差异不仅仅在于他们所处的地位，特别的操作系统更加大型、复杂、长寿

  
  操作系统结构
• 由上面所述可以归纳出操作系统的功能：

1、为应用程序提供一个资源集的抽象，也就是说操作系统会隐藏硬件，呈现给程序员良好、清晰、优雅、一致的抽象
2、管理计算机硬件资源

2、操作系统特征

（1）并发(Concurrence)

• 操作系统的并发性是指计算机系统中同时存在多个运行着的程序，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。
• 并发是指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。注意同一时间间隔（并发）和同一时刻（并行）的区别。在多道程序环境下，一段时间内，宏观上有多道程序在同时执行，而在每一时刻，单处理机环境下实际仅能有一道程序执行，故微观上这些程序还是在分时地交替执行。橾作系统的并发性是通过分时得以实现的。
• 并行性是指系统具有可以同时进行运算或操作的特性，在同一时刻完成两种或两种以上的工作。并行性需要有相关硬件的支持，如多流水线或多处理机硬件环境。

（2）共享（Sharing)

• 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，如打印机、磁带机，虽然它们可以提供给多个进程使用，但为使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。当进程A访问某资源时，必须先提出请求，如果此时该资源空闲，系统便可将之分配给进程A使用，此后若再有其他进程也要访问该资源时（只要A未用完）则必须等待。仅当进程A访问完并释放该资源后，才允许另一进程对该资源进行访问。我们把这种资源共享方式称为互斥式共享，而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或独占资源。
2) 同时访问方式
系统中还有另一类资源，允许在一段时间内由多个进程“同时”对它们进行访问。这里所谓的“同时”往往是宏观上的，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”。典型的可供多个进程“同时”访问的资源是磁盘设备，

• 并发和共享是操作系统两个最基本的特征，这两者之间又是互为存在条件的：

• 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，也必将影响到程序的并发执行，甚至根本无法并发执行。

（3） 虛拟（Virtual)

• 虚拟是指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（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。在操作系统中利用了多种虚拟技术，分别用来实现虚拟处理器、虚拟内存和虚拟外部设备等。

（1）在虚拟处理器技术中，是通过多道程序设计技术，让多道程序并发执行的方法，来分时使用一个处理器的。此时，虽然只有一个处理器，但它能同时为多个用户服务，使每个终端用户都感觉有一个中央处理器（CPU)在专门为它服务。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。
（2）可以通过虚拟存储器技术，将一台机器的物理存储器变为虚拟存储器，以便从逻辑上来扩充存储器的容量。当然,这时用户所感觉到的内存容量是虚的。我们把用户所感觉到的存储器（实际是不存在的）称为虚拟存储器。

• 因此，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

（5）异步(Asynchronism)

• 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，而是走走停停，以不可预知的速度向前推进，这就是进程的异步性。

3、操作系统的目标和功能

• 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、 存储器管理、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。并发时在计算机内同时运行多个进程，所以，进程何时创建、何时撤销、如何管理、如何避免冲突、.合理共享就是进程管理的最主要的任务。进程管理的主要功能有：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，方便用户使用以及提高内存的利用率，主要包括内存分配、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、设备处理和虛拟设备等功能。

（2）操作系统作为用户与计算机硬件系统之间的接口

• 为方便用户使用计算机，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。

（3）操作系统用做扩充机器

• 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，它的外面是操作系统，由操作系统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，通常把覆盖了软件的机器称为扩充机器，又称之为虚拟机。

4、操作系统的发展

操作系统发展

5、操作系统内核

• 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或系统外层的应用程序。对操作系统而言，这两种程序的作用不同，前者是后者的管理者，因此“管理程序”要执行一些特权指令，而“被管理程序”出于安全考虑不能执行这些指令。所谓特权指令，是指计算机中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指令。操作系统在具体实现上划分了用户态（目态）和核心态（管态)，以严格区分两类程序。
• 内核是计算机上配置的底层软件，是计算机功能的延伸。不同系统对内核的定义稍有区别，大多数操作系统内核包括四个方面的内容。

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。诸如，在分时操作系统中，釆用时间片轮转调度的实现；在实时系统中，按截止时间控制运行的实现；在批处理系统中，通过时钟管理来衡量一个作业的运行程度等。因此，系统管理的方方面面无不依赖于时钟。
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，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
   按层次结构设计的操作系统，底层必然是一些可被调用的公用小程序，它们各自完成一个规定的操作。其特点是：它们处于操作系统的最底层，是最接近硬件的部分、这些程序的运行具有原子性——其操作只能一气呵成（这主要是从系统的安全性和便于管理考虑的）、这些程序的运行时间都较短，而且调用频繁等。通常把具有这些特点的程序称为原语（Atomic Operation)。定义原语的直接方法是关闭中断，让它的所有动作不可分割地进行完再打开中断。
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，比如作业控制块、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，系统需要一些基本的操作，常见的操作有以下三种：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、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、设备管理：缓冲区管理、设备分配和回收等。

• 从上述内容可以了解，核心态指令实际上包括系统调用类指令和一些针对时钟、中断和原语的操作指令。

6、中断和异常

• 在操作系统中引入核心态和用户态这两种工作状态后，就需要考虑这两种状态之间如何切换。操作系统内核工作在核心态，而用户程序工作在用户态。但系统不允许用户程序实现核心态的功能，而它们又必须使用这些功能。因此，需要在核心态建立一些“门”，实现从用户态进入核心态。在实际操作系统中，CPU运行上层程序时唯一能进入这些“门”的途径就是通过中断或异常。当中断或异常发生时，运行用户态的CPU会立即进入核心态，这是通过硬件实现的（例如，用一个特殊寄存器的一位来表示CPU所处的工作状态，0表示核心态，1表示用户态。若要进入核心态，只需将该位置0即可)。
• 中断(Interruption)，也称外中断，指来自CPU执行指令以外的事件的发生，如设备发出的I/O结束中断，表示设备输入/输出处理已经完成，希望处理机能够向设备发下一个输入 / 输出请求，同时让完成输入/输出后的程序继续运行。时钟中断，表示一个固定的时间片已到，让处理机处理计时、启动定时运行的任务等。这一类中断通常是与当前程序运行无关的事件，即它们与当前处理机运行的程序无关。
• 异常(Exception)，也称内中断、例外或陷入(Trap)，指源自CPU执行指令内部的事件，如程序的非法操作码、 地址越界、算术溢出、虚存系统的缺页以及专门的陷入指令等引起的事件。对异常的处理一般要依赖于当前程序的运行现场，而且异常不能被屏蔽，一旦出现应立即处理。
  内中断和外中断

7、系统调用

• 所谓系统调用就是用户在程序中调用操作系统所提供的一些子功能，系统调用可以被看做特殊的公共子程序。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I/0传输以及管理文件等)，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。通常，一个操作系统提供的系统调用命令有几十乃至上百条之多。这些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。

• 系统调用运行在系统的核心态。通过系统调用的方式来使用系统功能，可以保证系统的稳定性和安全性，防止用户随意更改或访问系统的数据或命令。系统调用命令是由操作系统提供的一个或多个子程序模块实现的。
• 操作系统运行过程：

用户通过操作系统运行上层程序（如系统提供的命令解释程序或用户自编程序)，而这个上层程序的运行依赖于操作系统的底层管理程序提供服务支持，当需要管理程序服务时，系统则通过硬件中断机制进入核心态，运行管理程序；也可能是程序运行出现异常情况，被动地需要管理程序的服务，这时就通过异常处理来进入核心态。当管理程序运行结束时，用户程序需要继续运行，则通过相应的保存的程序现场退出中断处理程序或异常处理程序，返回断点处继续执行。

• 在操作系统这一层面上，我们关心的是系统核心态和用户态的软件实现和切换,由用户态进入核心态，不仅仅是状态需要切换。而且，所使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。