操作系统(1):计算机系统概述

1.1 操作系统的基本概念

知识点

• 计算机系统自下而上可大致分为四部分：硬件、软件、应用程序和用户。
• 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。
• 并发是指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。
• 并行性是指系统具有同时进行运算或操作的特性。
• 把在一段时间内只允许一个进程访问的资源，称为临界资源（或独占资源）。
• 仅当进程A访问完并释放该资源后，才允许另一个进程对该资源进行访问。我们把这种资源共享方式称为互斥式共享
• 同时访问方式：系统中还有另一类资源，这类资源允许在一段时间内由多个进程“同时”访问。这里所说的“同时”通常是宏观上的，而在微观上，这些进程可能是交替地对该资源进行访问即“分时共享”的。
• 虚拟是指把一个物理上的实体变为若干逻辑上的对应物。虚拟技术可归纳为：时分复用技术，如处理机的分时共享；空分复用技术，如虚拟存储器。
• 异步：进程的执行并不是一贯到底的，而是走走停停，它以不可预知的速度向前推进，这就是进程的异步性。
• 进程管理的主要功能包括进程控制、进程同步、进程通信、死锁处理、处理机调度等。
• 存储器管理是为了给多道程序的运行提供良好的环境，方便用户使用及提高内存的利用率，主要包括内存分配、地址映射、内存保护与共享和内存扩充等功能。
• 操作系统中负责文件管理的部分称为文件系统，文件管理包括文件存储空间的管理、目录管理及文件读写管理和保护等。
• 设备管理的主要任务是完成用户的I/O请求，方便用户使用各种设备，并提高设备的利用率，主要包括缓冲管理、设备分配、设备处理和虚拟设备等功能。
• 联机命令接口（交互式命令接口）适用于分时或实时系统的接口。
• 脱机命令接口（批处理命令接口）适用于批处理系统。
• 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。用户通过在程序中使用这些系统调用命令来请求操作系统为其提供服务。
• 严格地说，GUI图形接口不是操作系统的一部分，但图形接口所调用的系统调用命令是操作系统的一部分。
• 没有任何软件支持的计算机称为裸机。
• 把覆盖了软件的机器称为扩充机器或虚拟机。

题目知识点

• 用户可以通过三种方式使用计算机，即通过命令方式、系统调用方式和图标—窗口方式来实现与操作系统的通信，并取得它的服务。

错题

16.操作系统与用户通信接口通常不包括（D）
A.shell 命令解释器
B.命令解释器 属于命令接口
C.广义指令
D.缓存管理指令 对用户透明

19.计算机开机后，操作系统最终被加载到(D)
A. BIOS
B. ROM
C. EPROM
D. RAM

易错题

17.下列选项中，不属于多道程序设计的基本特征是(C)。
A.制约性
B.间断性
C.顺序性
D.共享性
引入多道程序设计后，程序的执行就失去了封闭性和顺序性。程序执行因为共享资源及相互协同的原因产生了竞争，相互制约。考虑到竞争的公平性，程序的执行是断续的。顺序性是单道程序设计的基本特征。

1.2 操作系统的发展与分类

知识点

• 手工操作阶段的两个缺点：1.用户独占全机，资源利用率低。2.CPU等待手工操作，CPU的利用不充分。
• 单道批处理系统：系统对作业的处理是成批进行的，但内存中始终保持一道作业。特点：自动性、顺序性、单道性。
• 多道批处理系统：允许多个程序同时进入内存并允许它们在CPU中交替地运行，这些程序共享系统中的各种硬/软件资源。
  • 特点：多道、宏观上并行、微观上串行。
  • 优点：资源利用率高。
  • 缺点：用户响应的时间较长：不提供人机交互能力。
• 在操作系统中使用分时技术就形成了分时系统。
  • 所谓分时技术，是指把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。
  • 分时操作系统是指多个用户通过终端同时共享一台主机，用户可以同时与主机进行操作而互不干扰。
  • 特点：同时性、交互性、独立性、及时性。
• 实时系统是指系统能及时响应外部事件的请求，在规定的时间内完成对该事件的处理，并控制所有实时任务协调一致地运行。
  • 某个动作必须绝对地在规定的时刻（或规定的时间范围）发生，则称为硬实时系统。
  • 能够接受偶尔违反时间规定且不会引起任何永久性的损害，则称为软实时系统。
  • 主要特点：及时性和可靠性。
• 网络操作系统把计算机网络中的各台计算机有机地结合起来，提供一种统一 、经济而有效的使用各台计算机的方法，实现各台计算机之间数据的互相传送。
  • 特点：网络中各种资源的共享及各台计算机之间的通信。
• 用于管理分布式计算机系统的操作系统称为分布式计算机系统
  • 条件：
    • 系统中的每台计算机都同等的地位。
    • 每台计算机上的资源为所有用户共享；系统中的任意台计算机都可以构成一个子系统，并且还能重构。
    • 任何工作都可以分布在几台计算机上，由它们并行工作、协同完成。
  • 特点：分布性和并行性。
• 单用户单任务操作系统：只允许一个用户上机，且只允许用户程序作为一个任务运行。
• 单用户多任务操作系统：只允许一个用户上机，但允许用户把程序分为若干个任务，使它们并发执行，从而有效地改善了系统的性能。
• 多用户多任务操作系统：允许多个用户通过各自的终端，使用同一台机器，共享主机系统中的各种资源，而每个用户程序又可进一步分为几个任务，使它们能并发执行，从而可进一步提高资源利用率和系统吞吐量。

错题

1.提高单机资源利用率的关键技术是(D)
A.脱机技术
B.虚拟技术
C.交换技术
D.多道程序设计技术

7.实时操作系统必须在被控制对象规定时间内处理外部的事件。

题目知识点

• 批处理的主要缺点是缺少交互性

综合应用题

1. 批处理操作系统、分时操作系统和实时操作系统各有什么特点？
   • 批处理操作系统的用户脱机使用计算机，作业是成批处理的，系统内多道程序并发执行，交互能力差。
   • 分时操作系统可让多个用户同时使用计算机，人机交互性较强，具有每个用户独立使用计算机的独占性，系统响应及时*。
   • 实时操作系统能对控制对象做出及时反应，可靠性高，响应及时，但资源利用率低。

1.3 操作系统的运行环境

知识点

• 程序
  • 操作系统内核程序
  • 用户自编程序（用户程序）
• 指令
  • 特权指令：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、送程序状态字到程序状态字寄存器的指令。
  • 非特权指令。
• CPU的状态
  • 用户态（目态）：用户自编程序运行在用户态。
  • 核心态（管态）：操作系统内核程序运行在核心态。
• 时钟管理：时钟的第一功能是计时。通过时钟中断的管理，可以实现进程的切换。
• 中断机制：键盘或鼠标信息的输入、进程的管理和调度、系统功能的调用、设备驱动、文件访问等，无不依赖于中断机制。
• 原语：可被调用的公用小程序
  • 特点：
    • 处于操作系统的最低层，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较短，而且调用频繁。
  • 定义原语的直接方法是关闭中断，让其所有动作不可分割地完成后再打开中断。
  • 系统控制的数据结构及处理
    • 进程管理。进程状态管理、进程调度和分派、创建与撤销进程控制块等。
    • 存储器管理。存储器的空间分配和回收、内存信息保护程序、代码兑换程序等。
    • 设备管理。缓冲区管理、设备分配和回收等。
• 核心态指令实际上包括系统调用类指令和一些针对时钟、中断和原语的操作指令。
• 中断和异常的概念
  • 发生中断或异常时，运行用户态的CPU会立即进入核心态，这是通过硬件实现的。
  • 异常也称内中断、例外或陷入（trap），指源自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、虚存系统的缺页及专门的陷入指令等引起的事件。
• 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掌管，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传输及管理文件等），都必须通过系统调用方式向操作系统提出服务请求，并由操作系统代为完成。
  • 目的：用户程序不能直接执行对系统影响非常大的操作，必须通过系统调用的方式请求操作系统代为执行，以便保证系统的稳定性和安全性，防止用户程序随意更改或访问重要的系统资源，影响其他进程的进行。
• 上层程序的运行依赖于操作系统的底层管理程序提供服务支持，当需要管理程序服务时，系统则通过硬件中断机制进入核心态。
• 若程序的运行由用户态转到核心态，则会用到访管指令，访管指令是在用户态使用的，所以它不可能是特权指令。
• 用户程序设计时，使用系统调用命令，该命令经过编译后，形成若干参数和陷入命令。
• 操作系统中，通道技术是一种硬件技术。I/O通道是一种特殊的处理器
• 计算机区分核心态和用户态指令后，从核心态到用户态的转换是由操作系统程序执行后完成的，而用户态到核心态的转换则是由硬件完成的。
• CPU处于核心态时，它可以执行的指令是除“访管”指令的全部指令

错题

7.下列操作系统的各个功能组成部分中，(A)可不需要硬件的支持。
A.进程调度
B.时钟管理
C.地址映射
D.中断系统
中断指令和地址映射中的重定向都是离不开硬件支持的。而时钟管理中，重置时钟等是由硬件直接完成的。进程调度是由调度算法决定CPU使用权，由操作系统实现，无须硬件的支持。

15.在操作系统中，只能在核心态下执行的指令是(C)
A.读时钟
B.取数
C.广义指令
D.寄存器清"0"
广义指令即系统调用命令，它必然工作在核心态，所以答案为C。要注意区分“调用”和“执行”，广义指令的调用可能发生在用户态，调用广义指令的那条指令不一定是特权指令，但广义指令存在于核心态中，所以执行一定在核心态。

16.下列选项中，必须在核心态下执行的指令是(D)
A.从内存中取数
B.将运算结果装入内存
C.算术运算
D.输入/输出
输入/输出指令涉及中断操作，而中断处理是由系统内核负责的，工作在核心态。

22.【2015统考真题】内部异常（关中断）可分为故障（fault）、陷阱（trap）和终止（abort）三类。下列有关内部异常的叙述中，错误的是(****)
A.内部异常的产生于当前执行指令相关
B.内部异常的检测由CPU内部逻辑实现
C.内部异常的响应发生在指令执行过程中
D.内部异常处理后返回到发生异常的指令继续执行

• 内中断是指来自CPU和内存内部产生的中断，包括程序运算引起的各种错误，如地址非法、校验码错、页面失效、非法指令、用户程序执行特权指令自行中断（INT）和除数为零等，以上都是在指令的执行过程中产生的，故A正确。
• 这种检测异常的工作肯定是由CPU（包括控制器和运算器）实现的，故B正确。
• 内中断不能被屏蔽，一旦出现应立即处理，C正确。
• 对于D，考虑到特殊情况，如除数为零和自行中断（INT）都会自动跳过中断指令，所以不会返回到发送异常的指令继续执行，故错误。

综合应用题

1.处理器为什么要区分核心态和用户态两种操作方式？在什么情况下进行两种方式的切换？
2.为什么说直到出现中断和通道技术后，多道程序概念才变得有用？

1.4操作系统的体系结构