Descripción general del sistema informático
1. Conceptos básicos del sistema operativo
1.1, el concepto de sistema operativo
El sistema operativo se refiere a una colección de programas que controla y administra los recursos de hardware y software de todo el sistema informático, organiza y programa racionalmente la asignación de trabajo y recursos informáticos y proporciona interfaces y entornos convenientes para los usuarios y otro software . El software de sistema más básico .
1.2 Características del sistema operativo
1.3. Los objetivos y funciones del sistema operativo
1.3.1. Sistema operativo como administrador de los recursos del sistema informático
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Gestión de procesadores
Control de procesos, sincronización de procesos, comunicación de procesos, manejo de interbloqueos, programación de procesadores
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Gestión de la memoria
Asignación de memoria, asignación de direcciones, protección y uso compartido de memoria, expansión de memoria
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Gestión de archivos
Gestión del espacio de almacenamiento de archivos, gestión de directorios y gestión y protección de lectura y escritura de archivos
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Gestión de equipos
Gestión de búfer, asignación de dispositivos, manejo de dispositivos y dispositivos virtuales
1.3.2. Sistema operativo como interfaz entre el usuario y el hardware de la computadora
Las interfaces proporcionadas por el sistema operativo se dividen principalmente en dos categorías: una es la interfaz de comando, los usuarios usan estos comandos operativos para organizar y controlar la ejecución del trabajo; la otra es la interfaz del programa, los programadores pueden usarlos para solicitar los servicios del sistema operativo .
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Interfaz de comando
Interfaz de comando en línea e interfaz de comando fuera de línea
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Interfaz de programa
La interfaz del programa se compone de un conjunto de comandos de llamada al sistema . El usuario utiliza estos comandos de llamada al sistema en el programa para solicitar al sistema operativo sus servicios.
1.3.3, sistema operativo como máquina de expansión
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2. Entorno operativo del sistema operativo
2.1 Mecanismo operativo del sistema operativo
En un sistema informático, la CPU generalmente ejecuta dos tipos diferentes de programas: uno es el programa del núcleo del sistema operativo; el otro es un programa creado por el usuario, es decir, un programa de aplicación . Para el sistema operativo, las funciones de estos dos programas son diferentes. El primero es el administrador del segundo. Por lo tanto, el "programa de administración" (es decir, el programa del núcleo) debe ejecutar algunas instrucciones privilegiadas, mientras que el "programa administrado" (es decir, el programa de aplicación) es Por razones de seguridad, estas instrucciones privilegiadas no se pueden ejecutar. Las llamadas instrucciones privilegiadas se refieren a instrucciones que los usuarios no pueden utilizar directamente en la computadora . Tales como: instrucciones de E / S, configurar instrucciones de interrupción, acceso a registros usados para protección de memoria, etc. En una implementación específica, el estado de la CPU se divide en estado de usuario y estado de núcleo . Cuando la CPU está en el modo de núcleo, puede ejecutar instrucciones privilegiadas, y cuando la CPU está en el modo de usuario, solo puede ejecutar instrucciones sin privilegios .
Ahora el sistema operativo es básicamente jerárquico y cada función se establece en diferentes niveles . Algunos módulos estrechamente relacionados con el hardware , como la gestión del reloj, el procesamiento de interrupciones, los controladores de dispositivos, etc., están en la parte inferior . Seguido de programas que se ejecutan con frecuencia, como gestión de procesos, gestión de memoria y gestión de dispositivos . Estas dos partes constituyen el núcleo del sistema operativo y las instrucciones de estas dos partes funcionan en el estado central . El kernel es el módulo subyacente configurado en la computadora y es una extensión de las funciones de la computadora. La mayoría de los núcleos de sistemas operativos incluyen cuatro aspectos :
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Gestión del reloj
Se pueden realizar cambios de tiempo, procesos, etc.
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Mecanismo de interrupción
Mejore la utilización de la CPU en el entorno de ejecución de múltiples programas Ahora el sistema operativo es un software controlado por interrupciones. En el mecanismo de interrupción, solo una pequeña parte pertenece al kernel, ellos son responsables de proteger y restaurar la escena de interrupción y transferir el control al programa de procesamiento correspondiente . Esto puede reducir el tiempo de procesamiento de interrupciones y mejorar las capacidades de procesamiento en paralelo del sistema.
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Primitivo
En un sistema operativo diseñado de acuerdo con una estructura jerárquica, la capa inferior debe ser algunos pequeños programas públicos que se pueden llamar, cada uno de los cuales completa una operación prescrita. Sus características son las siguientes:
- En la parte superior del sistema operativo, la parte más cercana al hardware;
- El funcionamiento de estos programas es atómico y sus operaciones solo se pueden realizar de una vez;
- Estos programas tienen un tiempo de ejecución corto y se llaman con frecuencia.
La forma sencilla de definir primitivas es desactivar las interrupciones .
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Estructura y procesamiento de datos de control del sistema
Hay muchas estructuras de datos que se utilizan para registrar información de estado en el sistema, como el bloque de control de trabajos, el bloque de control de procesos (PID), etc. Para lograr una gestión eficaz, el sistema necesita algunas operaciones básicas, las más comunes son:
- Gestión de procesos . Conmutación de estados de procesos, programación y despacho de procesos, creación y cancelación de bloques de control de procesos;
- Gestión de la memoria . Recuperación y asignación de espacio de memoria, programa de protección de información de memoria, programa de intercambio de código, etc .;
- Gestión de equipos . Gestión de búfer, asignación de equipos, etc.
En resumen, las instrucciones de estado del núcleo en realidad incluyen algunas instrucciones de llamada al sistema y algunas instrucciones de operación para relojes, interrupciones y primitivas .
2.2. El concepto de interrupciones y excepciones
¿Cómo cambiar entre el modo principal y el modo de usuario? El sistema no permite que los programas de usuario implementen funciones básicas y deben usar estas funciones. Por lo tanto, es necesario establecer algunas "puertas" en el estado central para realizar la transición del estado de usuario al estado central . En el sistema operativo, la única forma de que la CPU ingrese a estas "puertas" cuando se ejecutan programas de nivel superior es mediante interrupciones .
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Interrumpir
También llamada interrupción externa, se refiere a la ocurrencia de eventos distintos a la ejecución de instrucciones desde la CPU , tales como: interrupción final de E / S generada por el dispositivo, que indica que el procesamiento de entrada / salida del dispositivo se ha completado y se espera que el procesador pueda enviar la siguiente entrada / salida al dispositivo. Solicitudes de salida, mientras permite que el programa continúe ejecutándose después de completar la entrada / salida. La interrupción del reloj significa que ha llegado un intervalo de tiempo, lo que permite al procesador procesar la sincronización e iniciar tareas que se ejecutan a intervalos regulares. Esta serie de interrupciones no suele estar relacionada con el programa en ejecución.
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anormal
También se llama interrupción interna, atrapamiento. Se refiere a eventos dentro de la CPU que ejecutan instrucciones , como códigos de operación ilegales del programa, violaciones de direcciones , desbordamientos aritméticos, fallas de página en el sistema de almacenamiento virtual e instrucciones especiales atrapadas . El manejo de excepciones generalmente depende del sitio de operación del programa actual, y las excepciones no se pueden proteger y se manejan inmediatamente una vez que ocurren .
2.3, llamada al sistema
La llamada al sistema se refiere a que el usuario llama a algunas subfunciones proporcionadas por el sistema operativo en el programa. La llamada al sistema puede considerarse como una subrutina pública especial . El sistema operativo gestiona de manera uniforme varios recursos compartidos del sistema. Por lo tanto, en el programa de usuario, todas las operaciones relacionadas con los recursos, como la asignación de almacenamiento, la transmisión de E / S y la gestión de archivos, deben llamarse al sistema operativo a través de llamadas al sistema. La solicitud la realiza y completa el sistema operativo . Estas llamadas al sistema se pueden dividir aproximadamente en las siguientes categorías:
- Gestión de equipos . Complete la solicitud y liberación del dispositivo e inicie el dispositivo;
- Gestión de archivos . Lectura, escritura, creación y eliminación completa de archivos, etc .;
- Gestión de procesos . Creación, cancelación, bloqueo y reactivación de procesos completos, etc .;
- Proceso de comunicación . Funciones completas como transmisión de mensajes o transmisión de señales entre procesos;
- Gestión de la memoria . Complete la asignación de memoria, la recuperación y obtenga el tamaño y la dirección de inicio del área de memoria ocupada por el rol.
Las funciones relacionadas con las llamadas al sistema involucran operaciones como la administración de recursos y la administración de procesos, que tienen un gran impacto en todo el sistema, por lo que se deben usar ciertas instrucciones privilegiadas para completar. Por lo tanto, el procesamiento de la llamada al sistema debe ser completado por el programa del kernel del sistema y debe ejecutarse en el estado central . El programa de usuario puede ejecutar la instrucción de captura (también llamada instrucción de control de acceso) para iniciar llamadas al sistema y solicitar al sistema operativo que proporcione servicios . Se puede entender que: el programa de usuario ejecuta la "instrucción trap", que es equivalente a entregar activamente el derecho de usar la CPU al programa del kernel del sistema operativo (el estado de la CPU ingresará activamente al estado del núcleo desde el estado del usuario), y luego el programa del kernel del sistema operativo hará una solicitud de llamada al sistema Trate con ello en consecuencia . Tenga en cuenta que el comando de control de acceso se utiliza en modo de usuario, por lo que no es un comando con privilegios .