操作系统—概念与定义_操作系统的定义

操作系统的概念和定义

1.1 操作系统的层次结构

操作系统OS(Operating System)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，提供用户和其他软件方便的接口和环境同时它是计算机系统中最基本的系统软件。

操作系统在这里有什么作用？

（1）负责管理协调硬件、软件等计算机资源的工作

（2）为上层的应用程序、用户提供简单易用的服务

（3）操作系统是软件不是硬件

1.2操作系统的功能和目标

• 作为资源的管理者

（1）操作系统作为资源的管理者（这些资源包括软件、硬件、文件等），需要提供什么功能？

（2）操作系统作为用户与计算机硬件之间的接口，为上层的用户、应用程序提供简单易用的服务，需要实现什么功能？

（3）操作系统作为最接近硬件的层次，需要在纯硬件的基础上实现什么功能？

• 作为用户与计算机硬件之间的接口

Q：什么是联机命令和脱机指令？

A：联机命令给一句执行一句，脱机命令给一堆命令执行一堆命令。

Q:脱机和联机是什么概念？

A：脱机：没有连接网络。联机指两台或两台以上的计算机相互通信。

• 最接近硬件的层次

1.3 操作系统的四个基本特征

（1）并发

两个或多个事件同一时间间隔内发生。在宏观同时发生，在微观交替发生。操作系统的并发性是指计算机系统同时存在着多个运行着的程序。

• 并发和并行的区别

并行指两个或者多个事件在同一时刻同时发生。单核处理机（CPU）同一时刻只能执行一个程序，因此操作系统负责协调多个程序交替进行。现在一般都是多核CPU。

（2）共享

共享即资源共享，是指系统中的资源可提供内存多个并发执行的进程同时使用。

（3）虚拟

（4）异步

允许多个程序并发执行，但是资源有限，进程的执行不是一直执行，而是断断续续的执行，以不可预知的速度向前推进，这就是进程的异步性。

1.4操作系统的发展和分类

（1）手工操作阶段

用户独占全机，人机速度矛盾导致资源利用率极低

（2）批处理阶段

脱机的IO技术（用磁带完成）监督程序负责控制作业的IO

• 单道批处理系统

优点：缓解人机矛盾，资源利用率的提升

缺点：内存中有且仅有一道程序运行，只有该程序运行结束才能调入下一个程序。CPU有大量的时间等待I/O完成，资源利用率也很低。

• 多道批处理系统

优点：多道程序并发执行，共享计算机的资源。资源利用率提升，系统的吞吐量增大。

缺点：用户的响应时间长，没有人机交互的功能。（用户提交作业后只能等待计算机处理，自己不能控制自己作业的执行）

（3）分时操作系统

Q：什么是分时操作系统？

A：计算机以时间片为单，轮流为用各个用户/作业服务。各个用户通过终端与计算机交互。

优点：用户的响应可以及时处理，解决人机交互的问题。允许多个用户同时使用一台计算机，并且用户的操作彼此独立。

缺点：无法区分紧急处理的作业！操作系统对每个用户都是完全公平的，循环为每个用户/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

优点：能够优先响应一些紧急的任务，某些紧急任务不需要排队。能够及时响应，并且要在严格的时限内处理完事件。

总结就是及时性和可靠性

1.5操作系统的运行机制和体系结构

（1）两种指令—指处理器CPU能识别并且执行的最基本的指令

特权指令：如内存清零的指令（不允许用户程序使用）

非特权指令：如普通的运算指令

（2）两种处理器状态

用户态（目态）：此时CPU执行的非特权指令

核心台（管态）：特权指令非特权指令都可以执行

（3）两种程序

内核程序：操作系统的内核程序是系统的管理者，即可以执行非特权指令又可以执行特权指令，运行在核心态。

应用程序：普通程序只能执行非特权指令，运行在用户态。

（4)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程序就是内核程序。

时钟管理：实现计时功能

原语：是一种特殊的程序，是最接近硬件的部分，这种程序的运行具有原子性。

不同的操作系统对内核的划分不一样

大内核：包括进程管理、存储器管理、设备管理和时钟管理，中断处理，原句

微内核：包括时钟管理、中断处理、原句。

1.6中断和异常

• 中断机制的诞生

早期计算机的程序只能串行执行，系统利用率极低，为了解决该问题，人们发明了操作系统，引入中断机制，实现多道程序并发执行。发生中断意味着需要操作系统介入，开展管理工作。

中断是CPU从用户态进入核心态的唯一途径。

Q：用户态和核心态是怎么切换的？

A：“用户态—核心态”是通过中断实现的，并且中断是唯一的途径。“核心态—用户态”的切换是通过执行一个特权指令，将程序状态字（PSW）的标志位设置为“用户态”。

• 中断的分类

根据信号的来源分类，来自CPU内部是内部中断，来自CPU外部是外部中断。