一、计算机系统概述
1、操作系统的概念、功能和目标
1)、概念
操作系统 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,以提供给用户和其他软件方便的接口和环境,它是计算机系统中最基本的系统软件
2)、功能和目标
1)作为系统资源的管理者
进程是一个程序的执行过程。执行前 需要将该进程放到内存中 ,才能被CPU处理
提供的功能 :处理机管理、存储器管理、文件管理、设备管理
目标 :安全、高效
2)作为用户和计算机硬件之间的接口
提供的功能 :
- 命令接口 :允许用户 直接使用 ,命令接口又分为 联机命令接口(又叫交互式命令接口,例如windows的cmd) 和 脱机命令接口(又叫批处理命令接口,例如windows的
*.bat
文件) - 程序接口 :允许用户通过程序 间接使用 ,由一组系统调用组成,例如windows的
.dll
文件 - GUI :图形用户界面
目标 :方便用户使用
3)作为最接近硬件的层次
没有任何软件支持的计算机称为 裸机 。在裸机上安装的操作系统,可以提供资源管理功能和方便用户的服务功能,将裸机改造成功能更强、使用更方便的机器
2、操作系统的四个特征
操作系统的四个特征:并发、共享、虚拟、异步
1)、并发
并发 :指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。这些事件宏观上是同时发生的,但微观上是交替发生的
并行 :指两个或多个事件在同一时刻同时发生
一个单核处理机(CPU)同一时刻只能执行一个程序,因此操作系统会负责协调多个程序交替执行
2)、共享
共享 即资源共享,是指系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程共同使用
3)、虚拟
虚拟 是指把一个物理上的实体变为若干个逻辑上的对应物。物理实体是实际存在的,而逻辑上对应物是用户感受到的
4)、异步
异步 是指,在多道程序环境下,允许多个程序并发执行,但由于资源有限,进程的执行不是一贯到底的,而是走走停停,以不可预知的速度向前推进
3、操作系统的发展与分类
1)、手工操作阶段
2)、批处理阶段
1)单道批处理系统
2)多道批处理系统
3)、分时操作系统
4)、实时操作系统
4、操作系统的运行机制与体系结构
1)、什么是指令
一条高级语言的代码翻译过来可能会对应多条指令雅思网上报名
指令 就是处理器(CPU)能识别、执行的最基本命令
2)、运行机制
3)、操作系统内核
内核 是计算机配置的底层软件,是操作系统最基本、最核心的部分
实现操作系统内核功能的那些程序就是 内核程序
4)、操作系统的体系结构
5、中断和异常
1)、中断机制的诞生
为了解决上述问题,人们发明了操作系统,引入中断机制,实现了多道程序并发执行。只要发生了中断就意味着需要操作系统介入,开展管理工作
进程1 :
进程2 :
2)、中断机制的概念和作用
- 当中断发生时,CPU立即进入核心态
- 当中断发生后,当前运行的进程暂停运行,并由操作系统内核对中断进行处理
- 对于不同的中断信号,会进行不同的处理
发生了中断,就意味着需要操作系统介入,开展管理工作。由于操作系统的管理工作(比如进程切换、分配I/O设备等)需要使用特权指令,因此CPU要从用户态转为核心态。中断可以使CPU 从用户态切换为核心态,使操作系统获得计算机的控制权 。有了中断,才能实现多道程序并发执行
用户态、核心态之间的切换是怎么实现的 ?
- 用户态->核心态是通过中断实现的,并且中断是唯一途径
- 核心态->用户态的切换是通过执行一个特权指令,将程序状态字(PSW)的标志位设置为用户态
3)、中断的分类
4)、外中断的处理过程
CPU执行完每个指令之后,CPU都要检查当前是否有外部中断信号
如果检测到外部中断信号,则需要保护被中断进程的CPU环境(如程序状态字PSW、程序计数器PC、各种通用寄存器)
根据中断信号类型转入相应的中断处理程序
恢复原进程的CPU环境并退出中断,返回原进程继续往下执行
6、系统调用
1)、什么是系统调用
2)、系统调用与库函数的区别
3)、系统调用背后的过程
传递系统调用参数->执行陷入指令( 用户态 )->执行系统调用相应服务程序( 核心态 )->返回用户程序
注意 :
- 陷入指令 是在 用户态 执行的,执行陷入指令之后立即引发一个 内中断 ,从而CPU进入 核心态
- 发出系统调用请求 是在 用户态 ,而 对系统调用相应处理在核心态 下进行
- 陷入指令是唯一一个只能在用户态执行,而不可在核心态执行的指令