第1章 計算機系統概述

1. 操作系統的概念

• 操作系統 (Operating System，簡稱OS)是指控制和管理整個計算機系統的硬件與軟件資源，合理地組織、調度計算機的工作與資源的分配，進而為用戶和其他軟件提供方便接口與環境的程序集合。

2. 操作系統的特征

• 操作系統是計算機系統中最基本的系統軟件，操作系統的基本特征包括并發、共享、虛擬和異步。

（1）并發(Concurrence)

• 并發是指兩個或多個事件在同一時間間隔內發生（注意與并行區別開來）。
• 因此操作系統具有處理和調度多個程序同時進行的能力
• 引入進程的目的是使程序能夠并發執行。

（2）共享(Sharing)

• 共享是指系統中的資源供內存中多個并發執行的進程共同使用，共享可分為互斥共享方式和同時訪問方式。
• 互斥共享方式：規定在一段時間內只允許一個進程訪問該資源（例如：打印機、磁帶機），這類資源我們稱為臨界資源、獨占資源或共享資源。例子：攝像頭只能分配給QQ或者微信，你不可能同時在QQ和微信中進行視頻聊天。
• 同時訪問方式：這類資源允許在一段時間內由多個進程“同時訪問”（例如：磁盤），這里所說的“同時”通常是宏觀上的，而在微觀上，這些進程是交替地對該資源進行訪問。例子：QQ發送文件A，微信發送文件B，這時候的硬盤就是被同時訪問的。

并發和共享的關系：

• 并發和共享是操作系統兩個最基本的特征，兩者相互依存，沒有共享就沒有并發，沒有并發就沒有共享。

（3）虛擬(Virtual)

• 虛擬是指把一個物理上的實體變成若干邏輯上的對應物

（4）異步(Asynchronism)

• 操作系統允許多個并發進程共享資源，使得每個進程的運行過程受到其他進程制約，使進程的執行不是一氣呵成，而是以停停走走的方式運行，它以不可預知的速度向前推進，這就是進程的異步性。

3. 操作系統的作用

（1）操作系統作為計算機系統資源的管理者

• 處理機管理：主要控制和管理CPU的工作。
• 存儲器管理：主要進行內存的分配和管理。
• 文件管理：主要管理基本的輸入輸出設備 。
• 設備管理：負責對計算機文件的組織、存儲、操作和保護等。
• 例子：

操作管理類型

在各個文件夾中找到QQ的位置	文件管理
雙擊打開QQ QQ被放入內存	存儲器管理
QQ運行	處理機管理
視頻聊天	設備管理

（2）操作系統作為用戶與計算機硬件系統之間的接口

• 命令接口：使用命令接口進行作業控制的主要方式有兩種，即聯機控制方式和脫機控制方式，按作業控制方式的不同，可將命令接口分為聯機命令接口和脫機命令接口。
• 聯機命令接口：又稱為交互式命令接口，適用于分時或實時系統的接口。它由一組鍵盤操作命令組成。聯機命令接口可以這樣理解：“雇主”說一句話，“工人”做一件事，并作出反饋，這就強調了交互性。
• 脫機命令接口：又稱為批處理命令接口，適用于批處理系統的接口。它由一組作業控制命令（語句）組成。脫機命令接口可以這樣理解：“雇主”把“工人”要做的事寫在清單上，“工人”按照清單命令逐條完成這些事情，這就是批處理。
• 程序接口：由一組系統調用命令（簡稱系統調用，也稱廣義指令）組成。最流行的為GUI，即圖形接口。

（3）操作系統用作擴充機器

• 沒有任何軟件支持的計算機被稱為裸機。
• 裸機的外層為操作系統，我們可以裸機比喻成一臺“機器”，操作系統為“工人”，如果沒有“工人”的話，“機器”就是一堆鐵，發揮不出真正的功能，而當“工人”來操作“機器”，合理的控制和協調機器的話，就能發揮出真正的功能。

4. 操作系統的發展與分類

（1）手工操作階段（此階段無操作系統）

• 用戶獨占全機，不會出現因資源已被其他用戶占用而等待的現象，但資源利用率低。
• CPU等待手工操作，CPU利用不充分。
• 解決方法：用高速的機器代替相對較慢的手工操作來對作業進行控制。

（2）批處理階段（操作系統開始出現）

• 單道批處理系統：

特性為了解決人機矛盾及CPU和I/O設備速度不匹配

自動性	磁帶上的作業能自動地逐個進行 無需人工干預
順序性	磁帶上各作業順序進入內存
單道性	每次主機內存中僅存放一道程序

• 多道批處理系統：

特性進一步提高資源的利用率和系統的吞吐量

多道	計算機內存中同時存放多道相互獨立的程序
宏觀上并行	同時進入系統的多道程序同時運行
微觀上串行	內存中多道程序輪流搶占CPU 交替執行

• 此時的批處理階段無人機交互能力，但提高了資源利用率和系統的吞吐量。

（3）分時操作系統

• 分時技術，就是將處理器的運行時間分成很短的時間片，按時間片輪流把處理器分配給各聯機作業使用。

（4）實時操作系統

• 為了能在某個時間限制內完成某些緊急任務而不需要時間片排隊。

5. 操作系統的運行環境

（1）操作系統的運行機制

• 通常CPU執行兩種不同性質的程序：一種是操作系統內核程序；另一種是用戶自編程序（應用程序）。用戶自編程序運行在用戶態，操作系統內核程序、特權指令運行在核心態。

用戶態轉向核心態的例子

用戶程序要求操作系統的服務 即系統調用

發生中斷

用戶程序中產生一個錯誤狀態

用戶程序中企圖執行一個特權指令

從核心態轉向用戶態由一條特權指令（中斷返回指令）實現

（2）操作系統體系結構

• 大內核：大內核系統將操作系統的主要功能模塊都作為一個緊密聯系的整體運行在核心態，從而為應用提供高性能的系統服務。
• 微內核：微內核結構有效地分離了內核與服務、服務與服務，使得它們之間的接口更加清晰，維護的代價大大降低，各部分可以獨立地優化和演進，從而保證了操作系統的可靠性。

6. 本章疑難點

（1）并行性和并發性的區別和聯系

• 并行性是指兩個或多個事件在同一時刻發生。

• 并發性是指兩個或多個事件在同一時間間隔內發生。

• 在多道程序環境下，并發性是指在一段時間內，宏觀上有多個程序同時運行，但在單處理器(CPU)系統每一時刻卻僅能有一道程序執行，故微觀上這些程序只能是分時地交替執行。倘若在計算機系統中有多個處理器，則這些可以并發執行的程序便被分配到多個處理器上，實現并行執行，即利用每個處理器來處理一個可并發執行的程序。

（2）特權指令與非特權指令

• 所謂特權指令是指有特權權限的指令，由于這類指令的權限最大，如果使用不當，將導致整個系統崩潰。比如：清內存、置時鐘、分配系
  統資源、修改虛存的段表和頁表，修改用戶的訪問權限等。如果所有的程序都能使用這些指令，那么你的系統一天死機n回就不足為奇
  了。為了保證系統安全，這類指令只能用于操作系統或其他系統軟件，不直接提供給用戶使用。因此，特權執行必須在核心態執行。實際
  上，cpu在核心態下可以執行指令系統的全集。形象地說，特權指令就是那些兒童不宜的東西，而非特權指令則是老少皆宜。
• 為了防止用戶程序中使用特權指令，用戶態下只能使用非特權指令，核心態下可以使用全部指令。當在用戶態下使用特權指令時，將產生
  中斷以阻止用戶使用特權指令。所以把用戶程序放在用戶態下運行，而操作系統中必須使用特權指令的那部分程序在核心態下運行，保
  證了計算機系統的安全可靠。從用戶態轉換為核心態的唯一途徑是中斷或異常。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的操作系统期末知识点浓缩总结复习的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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