操作系统期末知识点浓缩总结复习

第1章 计算机系统概述

1. 操作系统的概念

• 操作系统 (Operating System，简称OS)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

• 操作系统是计算机系统中最基本的系统软件，操作系统的基本特征包括并发、共享、虚拟和异步。

（1）并发(Concurrence)

• 并发是指两个或多个事件在同一时间间隔内发生（注意与并行区别开来）。
• 因此操作系统具有处理和调度多个程序同时进行的能力
• 引入进程的目的是使程序能够并发执行。

（2）共享(Sharing)

• 共享是指系统中的资源供内存中多个并发执行的进程共同使用，共享可分为互斥共享方式和同时访问方式。
• 互斥共享方式：规定在一段时间内只允许一个进程访问该资源（例如：打印机、磁带机），这类资源我们称为临界资源、独占资源或共享资源。例子：摄像头只能分配给QQ或者微信，你不可能同时在QQ和微信中进行视频聊天。
• 同时访问方式：这类资源允许在一段时间内由多个进程“同时访问”（例如：磁盘），这里所说的“同时”通常是宏观上的，而在微观上，这些进程是交替地对该资源进行访问。例子：QQ发送文件A，微信发送文件B，这时候的硬盘就是被同时访问的。

并发和共享的关系：

• 并发和共享是操作系统两个最基本的特征，两者相互依存，没有共享就没有并发，没有并发就没有共享。

（3）虚拟(Virtual)

• 虚拟是指把一个物理上的实体变成若干逻辑上的对应物

（4）异步(Asynchronism)

• 操作系统允许多个并发进程共享资源，使得每个进程的运行过程受到其他进程制约，使进程的执行不是一气呵成，而是以停停走走的方式运行，它以不可预知的速度向前推进，这就是进程的异步性。

3. 操作系统的作用

（1）操作系统作为计算机系统资源的管理者

• 处理机管理：主要控制和管理CPU的工作。
• 存储器管理：主要进行内存的分配和管理。
• 文件管理：主要管理基本的输入输出设备 。
• 设备管理：负责对计算机文件的组织、存储、操作和保护等。
• 例子：

操作	管理类型
在各个文件夹中找到QQ的位置	文件管理
双击打开QQ QQ被放入内存	存储器管理
QQ运行	处理机管理
视频聊天	设备管理

（2）操作系统作为用户与计算机硬件系统之间的接口

• 命令接口：使用命令接口进行作业控制的主要方式有两种，即联机控制方式和脱机控制方式，按作业控制方式的不同，可将命令接口分为联机命令接口和脱机命令接口。
• 联机命令接口：又称为交互式命令接口，适用于分时或实时系统的接口。它由一组键盘操作命令组成。联机命令接口可以这样理解：“雇主”说一句话，“工人”做一件事，并作出反馈，这就强调了交互性。
• 脱机命令接口：又称为批处理命令接口，适用于批处理系统的接口。它由一组作业控制命令（语句）组成。脱机命令接口可以这样理解：“雇主”把“工人”要做的事写在清单上，“工人”按照清单命令逐条完成这些事情，这就是批处理。
• 程序接口：由一组系统调用命令（简称系统调用，也称广义指令）组成。最流行的为GUI，即图形接口。

（3）操作系统用作扩充机器

• 没有任何软件支持的计算机被称为裸机。
• 裸机的外层为操作系统，我们可以裸机比喻成一台“机器”，操作系统为“工人”，如果没有“工人”的话，“机器”就是一堆铁，发挥不出真正的功能，而当“工人”来操作“机器”，合理的控制和协调机器的话，就能发挥出真正的功能。

4. 操作系统的发展与分类

（1）手工操作阶段（此阶段无操作系统）

• 用户独占全机，不会出现因资源已被其他用户占用而等待的现象，但资源利用率低。
• CPU等待手工操作，CPU利用不充分。
• 解决方法：用高速的机器代替相对较慢的手工操作来对作业进行控制。

（2）批处理阶段（操作系统开始出现）

• 单道批处理系统：

特性	为了解决人机矛盾及CPU和I/O设备速度不匹配
自动性	磁带上的作业能自动地逐个进行 无需人工干预
顺序性	磁带上各作业顺序进入内存
单道性	每次主机内存中仅存放一道程序

• 多道批处理系统：

特性	进一步提高资源的利用率和系统的吞吐量
多道	计算机内存中同时存放多道相互独立的程序
宏观上并行	同时进入系统的多道程序同时运行
微观上串行	内存中多道程序轮流抢占CPU 交替执行

• 此时的批处理阶段无人机交互能力，但提高了资源利用率和系统的吞吐量。

（3）分时操作系统

• 分时技术，就是将处理器的运行时间分成很短的时间片，按时间片轮流把处理器分配给各联机作业使用。

（4）实时操作系统

• 为了能在某个时间限制内完成某些紧急任务而不需要时间片排队。

5. 操作系统的运行环境

（1）操作系统的运行机制

• 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（应用程序）。用户自编程序运行在用户态，操作系统内核程序、特权指令运行在核心态。

用户态转向核心态的例子
用户程序要求操作系统的服务 即系统调用
发生中断
用户程序中产生一个错误状态
用户程序中企图执行一个特权指令
从核心态转向用户态由一条特权指令（中断返回指令）实现

（2）操作系统体系结构

• 大内核：大内核系统将操作系统的主要功能模块都作为一个紧密联系的整体运行在核心态，从而为应用提供高性能的系统服务。
• 微内核：微内核结构有效地分离了内核与服务、服务与服务，使得它们之间的接口更加清晰，维护的代价大大降低，各部分可以独立地优化和演进，从而保证了操作系统的可靠性。

6. 本章疑难点

（1）并行性和并发性的区别和联系

• 并行性是指两个或多个事件在同一时刻发生。

• 并发性是指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。

• 在多道程序环境下，并发性是指在一段时间内，宏观上有多个程序同时运行，但在单处理器(CPU)系统每一时刻却仅能有一道程序执行，故微观上这些程序只能是分时地交替执行。倘若在计算机系统中有多个处理器，则这些可以并发执行的程序便被分配到多个处理器上，实现并行执行，即利用每个处理器来处理一个可并发执行的程序。

（2）特权指令与非特权指令

• 所谓特权指令是指有特权权限的指令，由于这类指令的权限最大，如果使用不当，将导致整个系统崩溃。比如：清内存、置时钟、分配系
  统资源、修改虚存的段表和页表，修改用户的访问权限等。如果所有的程序都能使用这些指令，那么你的系统一天死机n回就不足为奇
  了。为了保证系统安全，这类指令只能用于操作系统或其他系统软件，不直接提供给用户使用。因此，特权执行必须在核心态执行。实际
  上，cpu在核心态下可以执行指令系统的全集。形象地说，特权指令就是那些儿童不宜的东西，而非特权指令则是老少皆宜。
• 为了防止用户程序中使用特权指令，用户态下只能使用非特权指令，核心态下可以使用全部指令。当在用户态下使用特权指令时，将产生
  中断以阻止用户使用特权指令。所以把用户程序放在用户态下运行，而操作系统中必须使用特权指令的那部分程序在核心态下运行，保
  证了计算机系统的安全可靠。从用户态转换为核心态的唯一途径是中断或异常。