盘算机考研-操作系统第一章重点总结

第一章 概述1.1 基本观点1.1.1 操作系统界说盘算机系统自底向上分为四部门：硬件、操作系统（Operating Syetem，OS）、应用法式、用户。操作系统作为应用法式与硬件系统的中介，起着治理硬件，为各种应用法式协调所需运行资源的作用，到达合理分配硬件资源，调理应用软件作业，让盘算机系统更好的为用户服务的目的。1.1.2 操作系统特征1.并发（Concurrence）多个时间在同一时间距离内发生，即在盘算机系统中，可以处置惩罚和调理多个法式同时执行的能力，引入历程的目的是使法式能够并发执行。

注意：并发和并行的区别，并发是在同一时间距离内，宏观上多个法式是同时执行的，而在微观上，每个时刻上，仅执行一个法式，多个法式分时执行；并行（Parallel）是在宏观上与微观上差别法式（线程）是同时执行的，需要硬件支持，多处置惩罚器或多线程。2.共享（Sharing）系统中的资源可供内存中多个并发执行的历程配合使用。

（1）互斥共享方式：一段时间内只允许一个历程会见该资源，保证法式运行效果的正确性，好比打印机、磁带机。接纳这类共享方式的资源称为临界资源或独占资源，用前申请，闲置分配，不闲置等候。（2）同时会见方式：在同一时间段内，允许多个历程宏观上同时会见某个资源，但在微观上，在某个时刻上，资源是被单独地会见的，这个资源对各个历程来说是分时共享的。

注意：并发和共享是操作系统的两个最基本特征，两者互为存在的条件：（1）共享是以法式并发为条件的；（2）资源共享又是并发的前提3.虚拟（Virtual）把物理实体酿成逻辑上的对应物，例如虚拟处置惩罚器、内存或外部设备。虚拟处置惩罚器技术是通过多道法式设计技术，接纳让多道法式并发执行的方法，分时使用处置惩罚器，同时为多个用户服务，让用户以为他独占处置惩罚器。虚拟存储技术是将物理存储器酿成虚拟存储器，在逻辑上扩充容量。

或将一台物理I/O设备，逻辑虚拟出多台逻辑I/O设备，同时为多个用户提供服务。虚拟式技术分为：时分复用技术，CPU分时共享；空分复用技术，虚拟存储器。4.异步（Asynchronism）多个法式并发执行时，由于资源的限制，历程是断断续续执行完毕的。

所以内存中的每个历程执行、暂停时间都是不行预知的，但操作系统可保证运行效果相同。1.1.3 操作系统的目的和功效1.操作系统的功效（盘算机系统资源的治理者）（1）处置惩罚机治理：实际上是历程治理，包罗历程控制、历程同步、历程通信、死锁处置惩罚、处置惩罚机调理，使用上述功效来决议何时建立、打消历程，如何治理制止历程之间资源使用的冲突，如何以最合理的方式分享系统资源。（2）存储器治理：目的是提高内存使用率及利便用户使用内存，包罗分配与接纳、地址映射、内存掩护、内存扩充等。（3）文件治理：包罗文件存储空间的治理、目录治理、文件读写治理和掩护等。

（4）设备治理：主要任务是完成用户的I/O请求，利便用户使用种种设备，并提高设备使用率，包罗缓冲治理、设备分配、设备处置惩罚、虚拟设备等。2.操作系统为用户和硬件之间的接口（1）下令接口：按作业方式分为联机下令接口和脱机下令接口联机下令接口（交互式下令接口）：用于分时或实时操作系统，由一组键盘下令组成，用户通过控制台或终端输入下令，下令解释法式解释并执行下令，完成用户请求的功效，如此往复。

脱机下令接口（批处置惩罚下令接口）：用于批处置惩罚系统，由一组作业控制下令组成，这一组下令一旦发出，用户不能直接干预作业的运行，而事先用相应的作业控制下令写成一份作业操作说明书，连同作业一同提交给系统，下令解释法式解释并执行下令，用户可以间接的控制作业运行。（2）法式接口由一组系统挪用（广义指令）组成。用户通过在法式中使用系统挪用来请求服务。当前最盛行的是图形用户界面（GUI），GUI最终是通过挪用法式接口实现的，用户图形界面不是操作系统的一部门，但其所挪用的系统挪用下令是操作系统的一部门。

3.操作系统用作扩充机械操作系统提供的资源治理功效和服务功效将裸机革新乐成能更强，使用更利便的机械，因此把笼罩了软件的机械成为扩充机械或虚拟机。1.2 操作系统的生长与分类1.2.1 手工操作阶段（无操作系统）所有事情需要人工干预，如法式的装入、运行、效果的输出等，此阶段有两个突出的缺点，用户独占先机，资源使用率低；CPU等候手工操作，导致其使用不充实。

1.2.2 批处置惩罚阶段（有操作系统）1.单道批处置惩罚系统系统成批处置惩罚系统时，但内存中只保持一道作业，主要特征：自动性：能自动地逐个运行，无需人工干预顺序性：顺序地进入内存，处置惩罚完成顺序与进入内存的顺序完全一致单道性：内存中仅存一道法式运行，此法式运行完毕，加载另一道法式依据其作业方式和特性，单道批处置惩罚的问题是运行时，高速的CPU经常等候低速的I/O，导致CPU在许多时候处于闲置状态，资源不能获得高效的使用，需要引入多道法式技术。2.多道批处置惩罚系统允许多个法式同时进入内存并在CPU上交替运行，这些法式共享系统中的资源，使系统运行效率翻倍。它的特点是多道，宏观上并行、微观上串行。多道法式设计技术的实现需要解决下列问题：如何分配处置惩罚器；多道法式的内存分配问题；I/O设备如何分配；如何组织和存放大量的法式和数据，利便用户使用并保证其宁静性与一致性多道批处置惩罚系统的优点：资源使用率高；系统吞吐量大。

缺点：用户响应的时间较长；不提供人机交互能力，法式的运行对于用户来说是一个黑盒。1.2.3 分时操作系统把处置惩罚器的运行时间分成很短的时间片，定时间片轮流把处置惩罚器分给各联机作业使用，若一个时间片不够用，会等候下一轮，继续将时间片分配给该法式使用，给每个用户的感受是用户在独占整个盘算机。分时操作系统运行时，多个用户可以同时与主机举行交互操作，它也支持多道法式设计，但差别于多道批处置惩罚系统，多道批处置惩罚系统是作业自动控制而无需人工干预，分时系统可以实现人机交互，其主要特征如下：同时性（多路性）：多个用户同时使用一台盘算机，实现多个用户的同时操作；交互性：用户直接控制法式的运行，同法式举行交互；独立性：多个用户同时相互独立的对盘算机举行操作；实时性：用户请求在很短的时间内获得响应。

1.2.4 实时操作系统分成两类，硬实时系统：在划定的时间规模内或时刻，某个任务必须执行完毕，如航行器控制系统；软实时系统，保证让某个任务在划定的时间内完成，但偶然未定时完成，结果也可接受，如飞机订票系统、银行治理系统。其特点是实时性与可靠性。1.2.5 网络操作系统和漫衍式盘算机系统1.网络操作系统：把网络中各台盘算机有机联合起来，提供统一、有效的资源调理与任务治理，实现差别盘算机之间数据的传输。

特点是资源的共享和盘算机之间的通信。2.漫衍式盘算机系统：满足由多台盘算机组成，任意两台盘算机可以交流信息，职位同等，资源为所有用户共享，任意台盘算机都可组成一个子系统且能重构，任务可在多台盘算机中并行执行。

特点是漫衍性和并行性。两者本质差别：漫衍式操作系统中的若干盘算机相互协同完成同一任务。1.2.6 小我私家盘算机操作系统主要有Windows、Linux、Unix、Macintosh，嵌入式操作系统、服务器操作系统、智能手机操作系统（IOS/Android）。

1.2.7 操作系统生长历程(如下图)操作系统生长历程1.3 操作系统运行情况1.3.1 操作系统的运行机制CPU执行系统内核法式和应用法式，前者治理后者，因此内核法式可以执行特权指令。特权指令是不允许用户直接挪用的指令，好比I/O指令、置中断指令，存取用于内存掩护的寄存器、送法式状态字到法式状态字寄存器等的指令。在详细实现上，CPU状态分为两个状态，一个是用户态（目态）和焦点态（又称管态、内核态），内核法式与应用法式划分在CPU处于焦点态和用户态时运行。

操作系统的各项功效划分被设置在差别条理上，与硬件关联精密的模块，如时钟治理、中断处置惩罚、设备驱动等处于最底层；在其之上是运行频率较高的法式，如历程治理、存储器治理和设备治理等；这两部门组成了系统内核，事情在焦点态。内核包罗4方面的内容：1.时钟治理：时钟是最关键的设备，第一个功效是计时，提供尺度的系统时间，第二个功效是通过时钟中断的治理，可以实现历程的切换。2.中断机制：中断机制的目的是提高多道法式运行情况中CPU的使用率，是操作系统各项操作的基础，在中断机制中，只有一小部门功效属于内核，它们卖力掩护和恢复中断现场的信息，转移控制权到相关的处置惩罚法式。

3.原语：原语的特点是处于操作系统的最底层，是最靠近硬件的部门；有原子性，只能一次干完；运行时间短，且挪用频繁。界说原语的直接方法是关闭中断，让其所有行动不行支解地完成后再打开中断。4.系统控制地数据结构及处置惩罚系统中挂号状态信息地数据结构有：作业控制块、历程控制块（PCB）、设备控制块、各种链表、消息行列、缓冲区、空闲区挂号表、内存分配表等。

系统基本操作有三种：历程治理，历程状态治理、历程调理和分配、建立与打消历程控制块等；存储器治理，存储器的空间分配和接纳、内存信息掩护法式、代码对换法式；设备治理，缓冲区治理、设备分配与接纳等。1.3.2 中断和异常的观点焦点态和用户态举行切换时，通过中断和异常完成，实现方式：可以用一个特殊寄存器的一位来表现CPU所处的状态，0表现焦点态，1表现用户态。引入中断和异常，就是为了更大地提高资源的使用率。

1.中断（Interruption）的界说：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竣事中断，表现设备输入/输出处置惩罚已经完成，希望处置惩罚机向设备发出下一个输入/输出请求，同时让输入/输出的法式继续运行；再如时钟中断，表现牢固时间片已到，让处置惩罚机处置惩罚计时、启动定时运行的任务等。这一类中断通常是与当前指令执行无关的事件。2.异常（Exception）也称内中断、破例或陷入（trap），指源自CPU执行指令内部的事件，如法式的非法操作码、地址越界、算数溢出、虚拟系统的缺页和专门的陷入指令等引起的事件。对异常处置惩罚一般要依赖于当前法式的运行现场，而且异常不能被屏蔽，一旦泛起连忙处置惩罚。

中断和异常的联系与区别：中断和异常的联系与区别3.中断处置惩罚的历程1）关中断：CPU响应中断之后，首先要掩护法式的现场状态，在掩护现场的历程中，CPU不应响应更高级中断源的中断请求。否则，若现场掩护不完整，在中断服务法式竣事后，也就不能正确地恢复并继续执行现行法式。2）生存断点：为保证中断服务法式执行完毕之后能正确地返回到原来地法式，必须将原来地法式的断点（法式计数器PC）生存起来。

3）引出中断执行服务法式：实质是取出中断服务法式的入口地址送入法式计数器PC。4）生存现场和屏蔽字：进入中断服务法式之后，首先要生存现场，现场信息一般指法式状态字寄存器PSWR和某些通用寄存器的内容。5）开中断：允许更高级中断请求获得响应。

6）执行中断服务法式：中断请求的目的。7）关中断：保证在恢复现场和屏蔽字时不被中断。8）恢复现场和屏蔽字：将现场和屏蔽字恢复到原来的状态。

9）开中断、中断返回：中断服务法式的最后一条指令通常是一条中断返回指令，使其返回到原法式的断点处，以便继续执行原法式。其中1）——3）是在CPU进入中断周期后，由硬件自动（中断隐指令）完成的；4）——9）由中断服务法式完成。恢复现场是指在中断返回前，必须将寄存器的内容恢复到中断处置惩罚前的状态，这部门由中断服务法式完成。

中断返回由中断服务法式的最后一条中断返回指令完成。中断处置惩罚的流程如下图：中断处置惩罚流程1.3.3 系统挪用指用户在法式中挪用操作系统所提供的一些子功效，系统挪用可视为特殊的公共子法式。系统中的共享资源由操作系统统一掌握分配，在应用法式中，与资源有关的操作，须通过系统挪用的方式向操作系统提出请求。

一般一个操作系统提供的系统挪用下令有几十条甚至上百条。系统挪用分为：设备治理：完成设备的请求或释放，以及设备启动等功效；文件治理：完成文件的读、写、建立及删除等功效；历程控制：完成历程的建立、打消、阻塞及叫醒等功效；历程通信：完成历程之间的消息通报或信号通报等功效；内存治理：完成内存的分配、接纳以及获取作业占用内存区巨细及起始地址等功效。完成系统挪用必须使用特权指令，所以系统挪用的处置惩罚需要由操作系统内核法式卖力完成，要运行在焦点态。

应用法式可以执行陷入指令（又称访管指令或trap指令）来提倡系统挪用，请求操作系统提供服务。操作系统的运行情况可以明白为：用户通过操作系统运行上层法式（如系统提供的下令解释法式或用户自编程法式），上层法式的运行依赖于操作系统的底层治理法式提供服务支持，需要治理法式服务时，系统则通过硬件中断机制进入焦点态，运行治理法式；也可能是法式运行泛起异常情况，被动地需要治理法式地服务，通过异常进入焦点态。治理法式运行竣事时，应用法式继续举行。整个历程如下图所示：内核态与用户态转换图用户态转向焦点态地举例：1）应用法式要求操作系统地服务，即系统挪用；2）发生中断；3）应用法式中发生一个错误状态；4）用户法式中企图执行一条特权指令；5）从焦点态转向用户态由一条指令实现，这条指令也是特权下令，一般是中断返回指令。

状态切换的历程中，相应的客栈也需转换；在此历程中，会用到访管指令，此指令是在用户态使用地，它不是特权指令。1.4 操作系统地体系结构1.4.1 大内核和微内核焦点态为应用法式提供公共服务，但应提供什么详细服务？或怎样提供服务？有两种体系结构回覆上述问题：大内核和微内核。

大内核：将操作系统的主要功效模块作为一个精密联系的整体运行在焦点态，提供高性能的系统服务。各模块之间高度信息共享，有很是高的性能。但随着需求的不停增长，需要操作系统提供的服务越来越多，大内核体系不能满足需求，所以，设计人员实验通过根据庞大性、时间常数、抽象级别等因素，将操作系统分成若干个条理，界说条理之间的服务结构，提高操作系统内核的模块化。

但泛起了条理之间关系庞大，接口界说模糊的问题。为解决上述问题，提出微内核的体系结构：内核中最基本的功效保留在内核，不需要再焦点态的功效移动到用户态，降低内核设计的庞大性。被移出内核的操作系统代码凭据分层原则被划分为若干服务法式，相互独立执行，借助微内核举行通信。

微内核结构有效的分散了内核与服务、服务与服务，使得它们之间的接口越来越清晰，维护的价格大大降低，各部门可以独立地优化和演进。但微内核也会因为举行频繁地焦点态与用户态地切换，导致性能地损失，但体系更改提升地性能，足以抵消因为切换发生的性能的降低。

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