第一章 计算机系统概述

操作系统（Operating System，OS）是指控制和管理整个计算机系统硬件和软件^①合理组织和调度计算机工作和资源分配；为用户和其他软件提供方便的界面和环境^②;它是计算机系统中最基本的系统软件^③。

①操作系统是系统资源的管理者。②提供方便易用的服务。③是最接近硬件的软件层。

并发:在同一时间间隔内发生两个或多个事件。这些事件宏观同时发生的，但交替发生在微观上的。

常考易混概念――并行:同时发生两个或多个事件。

并发性操作系统指计算机系统中同时运行多个程序，宏观上同时运行，微观上交替运行。 操作系统伴随着多程序技术而出现。操作系统和程序并发诞生在一起。

注： 单核CPU只能同时执行一个程序，每个程序只能并发执行。多核CPU多个程序可以同时执行，多个程序可以并行执行。比如Intel的第八代i3处理器就是4核CPU，意味着可以并行执行4个程序。

共享即资源共享，是指系统中的资源可以用于内存中多个并发执行的过程。

(1)互斥共享方式

虽然系统中的一些资源，如打印机和磁带机，可用于多个过程，但应规定，以防止打印或记录的结果混淆只允许一个进程在一段时间内访问资源。

(2)同时共享方式

系统中的一些资源，这些资源允许在一段时间内同时访问多个过程。这里提到的同时通常是宏观的，而在微观上，这些过程可能是交替访问资源，即分时共享。

生活实例: 互斥共享方式:使用QQ还有微信视频。摄像头只能在同一时间内分配给其中一个过程。 共享方式:使用QQ发送文件A，同时，使用微信发送文件B。从宏观上看，双方同时阅读和发送文件，表明两个过程都在访问硬盘资源并读取数据。从微观上看，两个过程交替访问硬盘。

并发与共享之间的联系并发与共享是操作系统最基本的两个特征，两者相互存在：①如果系统不允许程序，则资源共享是基于程序的并发性。并发执行，自然没有资源共享问题;②若系统不正确资源共享有效管理的实施必然会影响程序并发执行，甚至不能并发执行。

虚拟是指将物理实体转化为几个逻辑对应物。物理实体(前者)是真实的，即实际存在；逻辑上，对应物(后者)是虚拟的，是用户感受到的。

实例

虚拟技术中的“空分复用技术”。

虚拟技术中的虚拟技术时间复用技术。微观上，处理器在每个小时间内交替为每个过程服务。

操作系统的虚拟技术可概括为：时分复用技术，例如，分时共享处理器；空分复用技术,如虚拟存储器。

显然，如果失去并发性，系统只需要在一段时间内运行一个程序，就失去了实现虚拟性的意义。没有并发性，就没有虚拟性。

异步也就是说，在多个程序环境中，允许多个程序并发执行，但由于资源有限，过程的执行并不总是结束，而是以不可预测的速度前进，这是过程的异步性。

由于并发操作程序将争相使用系统资源，而系统中的资源有限，因此过程的执行并不总是结束，而是以不可预测的速度前进。

如果失去并发性，即系统只能串行运行每个程序，那么每个程序的执行将一直持续到底。只有系统并发，才能导致异步。

(1)处理机管理

封装思想:操作系统把一些丑陋的硬件功能封装成简单易用的服务，使用户能更方便地使用计算机,用户无需关心底层硬件的原理,只需要对操作系统发出命令即可。

为了让用户方便、快捷、可靠的操作计算机硬件并运行自己的程序，操作系统还提供了用户接口。操作系统提供的接口主要分为两类：一类命令接口，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服务。

（1）命令接口

命令接口又分为联机命令接口和脱机命令接口。

没有任何软件支持的计算机称为裸机，它仅构成计算机系统的物质基础，而实际呈现在用户面前的计算机系统是经过若干层软件改造的计算机。裸机在最里层，其外面是操作系统。操作系统所提供的资源管理功能和方便用户的各种服务功能，将裸机改造成功能更强、使用更方便的机器:因此,我们通常把覆盖了软件的机器称为扩充机器或虚拟机。

类比汽车: 发动机——只会转;轮胎——只会滚; 在原始的硬件机器上覆盖一层传动系统――让发动机带着轮子转――使原始的硬件机器得到拓展

用户在计算机上算题的所有工作都要人工干预，如程序的装入、运行、结果的输出等。随着计算机硬件的发展，人机矛盾（速度和资源利用）越来越大，必须寻求新的解决办法。

手工操作阶段有两个突出的缺点:①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。②CPU等待手工操作，CPU的利用不充分。 唯一的解决办法就是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。

为了解决人机矛盾及CPU和IO设备之间速度不匹配的矛盾，出现了批处理系统。它按发展历程又分为单道批处理系统、多道批处理系统（多道程序设计技术出现以后)。

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。单道批处理系统是在解决人机矛盾及CPU和I/O设备速率不匹配的矛盾中形成的。单道批处理系统的主要特征如下: 1）自动性。在顺利的情况下，磁带上的一批作业能自动地逐个运行，而无须人工干预。2）顺序性。磁带上的各道作业顺序地进入内存，各道作业的完成顺序与它们进入内存的顺序在正常情况下应完全相同，亦即先调入内存的作业先完成. 3）单道性。内存中仅有一道程序运行，即监督程序每次从磁带土只调入一道程序进入内存 运行，当该程序完成或发生异常情况时，才换入其后继程序进入内存运行。

主要优点:缓解了一定程度的人机速度矛盾，资源利用率有所提升。 主要缺点:内存中仅能有一道程序运行，只有该程序运行结束之后才能调入下一道程序。CPU有大量的时间是在空闲等待I/O完成。资源利用率依然很低。

多道程序设计技术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。当一道程序因I/O请求而暂停运行时，CPU便立即转去运行另一道程序。它不采用某些机制来提高某一技术方面的瓶颈问题，而让系统的各个组成部分都尽量去“忙”，因此切换任务所花费的时间很少,/可实现系统各部件之间的并行工作，使其整体在单位时间内的效率翻倍。

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。若某个作业在分配给它的时间片内不能完成其计算，则该作业暂时停止运行，把处理器让给其他作业使用，等待下一轮再继续运行。由于计算机速度很快，作业运行轮转得也很快，因此给每个用户的感觉就像是自己独占一台计算机。

分时系统的主要特征如下： 1）同时性。同时性也称多路性，指允许多个终端用户同时使用一台计算机，即一台计算机与若干台终端相连接，终端上的这些用户可以同时或基本同时使用计算机。 2）交互性。用户能够方便地与系统进行人机对话，即用户通过终端采用人机对话的方式直接控制程序运行，与同程序进行交互。 3）独立性。系统中多个用户可以彼此独立地进行操作，互不干扰，单个用户感觉不到别人也在使用这台计算机，好像只有自己单独使用这台计算机一样。 4）及时性。用户请求能在很短时间内获得响应。分时系统采用时间片轮转方式使一台计算机同时为多个终端服务，使用户能够对系统的及时响应感到满意。

主要优点:用户请求可以被即时响应，解决了人机交互问题。允许多个用户同时使用一台计算机，并且用 户对计算机的操作相互独立，感受不到别人的存在。 主要缺点:不能优先处理一些紧急任务。操作系统对各个用户/作业都是完全公平的，循环地为每个用户/作业服务一个时间片，不区分任务的紧急性。

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，诞生了实时操作系统。这里的时间限制可以分为两种情况:①若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。如飞行器的飞行自动控制系统，这类系统必须提供绝对保证，让某个特定的动作在规定的时间内完成。②若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，如飞机订票系统、银行管理系统。

在实时操作系统的控制下，计算机系统接收到外部信号后及时进行处理，并在严格的时限内处理完接收的事件。实时操作系统的主要特点是及时性和可靠性。

网络操作系统:是伴随着计算机网络的发展而诞生的，能把网络中各个计算机有机地结合起来，实现数据传送等功能，实现网络中各种资源的共享(如文件共享）和各台计算机之间的通信。(如: Windows NT就是一种典型的网络操作系统，网站服务器就可以使用)

分布式操作系统:主要特点是分布性和并行性。系统中的各台计算机地位相同，任何工作都可以分布在这些计算机上，由它们并行、协同完成这个任务。

个人计算机操作系统:如 Windows XP、MacOS，方便个人使用。

计算机系统中，通常CPU 执行两种不同性质的程序:

（1）内核程序操作系统的内核程序是系统的管理者,既可以执行特权指令,也可以执行非特权指令，运行在核心态。

（2）应用程序为了保证系统能安全运行,普通应用程序只能执行非特权指令，运行在用户态

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、送程序状态字到程序状态字寄存器等的指令。应用程序只能使用非特权指令，如：加法指令、减法指令。

在CPU设计和生产的时候就划分了特权指令和非特权指令，因此CPU执行一条指令前就能判断出其类型。

CPU能判断出指令类型,但是它怎么区分此时正在运行的是内核程序or应用程序?

CPU有两种状态，“内核态”和“用户态”。 处于内核态时，说明此时正在运行的是内核程序，此时可以执行特权指令和非特权指令。处于用户态时，说明此时正在运行的是应用程序，此时只能执行非特权指令。

**拓展:**CPU中有一个寄存器叫程序状态字寄存器（PSW)，其中有个二进制位，1表示“内核态”，0表示“用户态” **别名:**内核态=核心态=管态；用户态=目态

内核是计算机上配置的底层软件，是操作系统最基本、最核心的部分。由很多内核程序组成操作系统内核。

在软件工程思想和结构程序设计方法影响下诞生的现代操作系统,几乎都是层次式的结构。操作系统的各项功能分别被设置在不同的层次上。一些与硬件关联较紧密的模块，如时钟管理、中断处理、设备驱动等处于最低层。其次是运行频率较高的程序，如进程管理、存储器管理和设备管理等。这两部分内容构成了操作系统的内核。这部分内容的指令操作工作在核心态。

CPU上会运行两种程序，一种是操作系统内核程序，一种是应用程序。

“中断”会使CPU由用户态变为内核态，使操作系统重新夺回对CPU的控制权。

中断(Interruption)也称外中断，指来自CPU执行指令以外的事件的发生,如设备发出的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，表示一个固定的时间片已到，让处理机处理计时、启动定时运行的任务等。这一类中断通常是与当前指令执行无关的事件，即它们与当前处理机运行的程序无关。

异常(Exception）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。对异常的处理一般要依赖于当前程序的运行现场，而且异常不能被屏蔽，一旦出现应立即处理。

不同的中断信号，需要用不同的中断处理程序来处理。当CPU检测到中断信号后，会根据中断信号的类型去查询“中断向量表”，以此来找到相应的中断处理程序在内存中的存放位置。

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IO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。通常，一个操作系统提供的系统调用命令有几十条乃至上百条之多。

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

系统调用的处理需要由操作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(又称访管指令或trap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做出相应处理。处理完成后，操作系统内核程序又会把CPU的使用权还给用户程序(即CPU状态会从核心态回到用户态)。

操作系统的运行环境就可以理解为:用户通过操作系统运行上层程序（如系统提供的命令解释程序或用户自编程序)，而这个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，运行管理程序;也可能是程序运行出现异常情况，被动地需耍管理程序的服务，这时就通过异常处理来进入核心态。管理程序运行结束时，用户程序需要继续运行，此时通过相应的保存的程序现场退出中断处理程序或异常处理程序，返回断点处继续执行，如图下图所示。

注意：操作系统内核需要运行在内核态。操作系统的非内核功能运行在用户态。

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一个故事:现在，应用程序想要请求操作系统的服务，这个服务的处理同时涉及到进程管理、存储管理、设备管理 注意:变态的过程是有成本的，要消耗不少时间，频繁地变态会降低系统性能