操作系统原理第一章 绪论

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1.1 什么是操作系统

1.1.1 操作系统定义

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，从而提供给用户和其他软件方便的接口和环境。

1.1.2 操作系统的目标

运行用户程序 核心目标

更高效的使用计算机 面向系统

更方便使用计算机 面向用户

1.1.3 冯诺依曼

运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备

1.1.4 中断过程

中断：当出现需要时，CPU暂时停止当前程序的执行，

中断信号：外部设备通过IO操作发送给CPU的信号

中断向量：中断程序的入口地址

中断过程：

1. CPU执行一条指令时，外设向CPU发出中断请求
2. CPU在满足响应的情况下，发出中断响应信号，
3. CPU关闭中断，不再受理另一个设备的中断
4. CPU寻找中断请求源（哪一个设备），并保存CPU自己的程序计数器（PC）等内容
5. CPU根据中断号转移到处理该中断源的中断服务程序
6. CPU处理结束，恢复现场信息，开放中断，并返回到原来被中断的主程序的下一条指令

1.2 操作系统的类型

1.2.1 简单批处理系统

实现了自动化作业调度

可以在无需人工干预的条件下运行作业

简单批处理系统的核心是一个常驻监控程序 (Monitor)

• 控制作业运输
• 调度作业运行
• 自动从一个运行完的作业转换到下一个作业

作业运行过程：

CPU和I/O操作交替进行，一上一下 CPU脉冲 I/O 脉冲

从字面上理解，就是一批一批的处理任务的一种系统，严格的定义，就是指用户将一批作业提交给操作系统后就不再干预，由操作系统控制它们自动运行。这种采用批量处理作业技术的操作系统称为批处理操作系统。简单地理解就是我手中有一大堆作业（相当一个程序）要运行，我一个一个的放入内存中执行效率会很慢，因为我要人为的去装载程序（早期的机器会把程序写到磁带中，然后人为地放到专门处理程序的机器中），所以我一次性放一批的作业，让操作系统自己去运行它，而我不需要干涉，这样我就省了很多力气
如下图

1.2.2 多道程序系统

• 在管理程序控制下相互穿插运行
• 使得CPU和IO可以并行运行
• 由不同控制器控制的设备也可以并行操作，而由相同的控制器控制的设备一般不可以并行操作
• 总有一个作业可以被执行
• 当一个作业被阻塞是，OS切换到另一个作业

目的：

使得CPU和设备在所有时间内尽可能忙碌，从而提高CPU和设备的利用率，充分发挥计算机系统部件的并行性。

并行：两个或者多个作业在同一时刻运行

并发：两个或者多个作业在同一时间间隔内依次运行

1.2.3 分时系统

多道程序设计的延伸

一个进程可以被多个用户使用，

时间片：把一段CPU的时间按照固定单位进行分割，每个分割得到的时间段称为一个时间片

分时的策略：

在一段时间内，每个作业依次轮流运行一个时间片。这样可以使得每个作业都获得较短的响应时间，从而满足交互作业的要求。遵循分时策略的联机多用户交互式的操作系统就是分时系统

1.2.4 分时和批处理的区别

从他们的定义我们大概可以总结出： 批处理系统没有人机交互，而分时系统允许多个用户同时使用 批处理系统中允许程序长时间地占用CPU，而分时系统不允许

问题：

多道程序按不按时间片来分配时间 ，

时间片时在分时系统中提出的概念，

多道程序没有时间片的概念

1.3 操作系统的操作

用户模式和内核模式

由硬件提供模式位

特权指令：可能引起系统崩溃的指令，只能运行在内核模式

用户程序需要用到特权指令怎么办？

解决办法：系统调用(System call)

视为软件中断 (trap) 中断源不一样 interrupt 硬件中断

1.4 操作系统的功能

1.4.1 I/O和内存保护

I/O保护：

防止用户程序执行非法 I/O

解决方法：所有 I/O指令都是特权指令

用户程序通过系统调用进行I/O操作

内存保护：

1.4.2 定时器

如果操作系统不能获得CPU控制权，就无法管理系统

• 用户程序死循环
• 用户程序不调用系统调用

解决方法：定时器

• 在一段时间之后发生中断，CPU控制权返回操作系统
• 固定时间和可变时间定时器
• 利用时钟和计数器实现

1.4.3 进程管理

操作系统核心目标：运行程序

进程：运行中的程序

CPU/进程管理：对CPU进行管理

1.4.4 内存管理

程序运行必须的存储设备

CPU只能直接访问寄存器、高速缓存

1.4.5 文件管理

解决信息在计算机中存储问题

以文件为单位，以目录为组织方式构建文件系统

文件放在外存上面

I/O设备管理

关键：设备无关性(独立性)

内容：设备驱动 设备管理

课后思考

还有哪些特权指令？

什么时候调用特权指令？

什么是操作系统中的双模态？引入双模态有什么好处？

操作系统的双模态为用户模式和内核模式，应用程序在用户模式下运行，核心操作系统组件在内核模式下运行

用户模式

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