操作系统学习笔记之——计算机系统概述

计算机系统概述

1、操作系统的基本概念

1.1、操作系统的概念

操作系统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。最基本的系统软件。

1.2、操作系统的特征

• 并发

• 共享

• 虚拟

• 异步

1.3、操作系统的目标与功能

1.3.1、操作系统作为计算机系统资源的管理者

• 处理机管理

  进程控制、进程同步、进程通信、死锁处理、处理机调度

• 存储器管理

  内存分配、地址映射、内存保护与共享、内存扩充

• 文件管理

  文件存储空间的管理、目录管理及文件读写管理与保护

• 设备管理

  缓冲管理、设备分配、设备处理和虚拟设备

1.3.2、操作系统作为用户与计算机硬件之间的接口

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的服务。

• 命令接口

  联机命令接口与脱机命令接口

• 程序接口

  程序接口是由一组系统调用命令组成的。用户在程序中使用这些系统调用命令来请求操作系统为其服务。

1.3.3、操作系统作为扩充机器

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2、操作系统的运行环境

2.1、操作系统的运行机制

计算机系统中，通常 CPU 执行两种不同性质的程序：一种是操作系统的内核程序；另一种是用户自编的程序，即应用程序。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”（即内核程序）要执行一些特权指令，而“被管理者”（即应用程序）出于安全考虑，不能执行这些特权指令。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等。在具体实现上，将 CPU 的状态划分为用户态和核心态。CPU 处于核心态可以执行特权指令，CPU 处于用户态，只能执行非特权指令。

现在操作系统基本都是层次结构的，各项功能被分别设置在不同的层次上。一些与硬件较紧密的模块，比如：时钟管理、中断处理、设备驱动等处于最底层。其次是运行频率较高的程序，比如：进程管理、存储器管理和设备管理等。这两部分构成了操作系统的内核，这两部分的指令工作在核心态。内核是计算机上配置的底层模块，是计算机功能的延伸。大多数操作系统内核包括四个方面：

1. 时钟管理

   计时、可以实现进程切换等

2. 中断机制

   提高多道程序运行环境中的 CPU 的利用率，现在操作系统是靠中断驱动的软件。中断机制中，只有一小部分属于内核，它们负责保护和恢复中断现场，转移控制权到相关处理程序。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共小程序，它们各自完成一个规定的操作。它们的特点如下：

   • 处于操作系统的最顶层，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；
   • 这些程序的运行时间都很短，而且调用频繁。

   定义原语的直接方法就是关中断。

4. 系统控制的数据结构及处理

   系统中用来登记的状态信息的数据结构有很多，如作业控制块、进程控制块（PID）等。为了实现有效的管理，系统需要一些基本的操作，常见的有：

   • 进程管理。进程状态的切换、进程调度和分派、创建与撤销进程控制块；
   • 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、设备分配等。

   综上，核心态指令实际上包括一些系统调用指令和一些针对时钟、中断和原语的操作指令。

2.2、中断和异常的概念

核心态和用户态之间如何切换呢？系统不允许用户程序实现核心态的功能，而他们又必须使用这些功能。因此，需要在核心态建立一些 “门” ，以便实现从用户态进入核心态。在操作系统中，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会异常。

• 中断

  也称为外中断，是指来自 CPU 执行指令之外的事件的发生，如：设备发生的 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出下一个输入/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。这一系列中断通常是与当前运行的程序无关。

• 异常

  也称为内中断、陷入。是指来自 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、虚拟存储系统的缺页及专门的陷入指令等。对异常的处理一般要依赖当前程序的运行现场，而异常不能被屏蔽，一旦出现立即处理。

2.3、系统调用

所谓系统调用，是指用户在程序中调用操作系统所提供的一些子功能，系统调用可被视为特殊的公共子程序。系统中的各种共享资源都由操作系统统一管理，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/O 传输以及文件管理等，都必须通过系统调用向操作系统提出请求，并由操作系统完成。这些系统调用大致可分为以下几类：

• 设备管理。完成设备的请求与释放，以及设备启动等；
• 文件管理。完成文件的读、写、创建及删除等；
• 进程管理。完成进程的创建、撤销、阻塞及唤醒等；
• 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、回收以及获取作用占用内存区大小及始址等功能。

系统调用相关功能涉及资源管理、进程管理等操作，对整个系统的影响非常大，因此必定需要使用某些特权指令来完成。所以系统调用的处理需要由系统内核程序负责完成，要运行在核心态。用户程序可以执行陷入指令（又称为访管指令）来发起系统调用，请求操作系统提供服务。可以这么理解：用户程序执行 “陷入指令”，相当于把 CPU 的使用权主动交给操作系统内核程序（CPU 状态会主动从用户态进入核心态），之后操作系统内核程序再对系统调用请求作出相应处理。请注意，访管指令是在用户态下使用的，因此它并不是特权指令。