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四、作業系統概述

作業系統是指控制和管理整個計算機系統的硬體和軟體資源，并合理地組織調度計算機的作業和資源的分配，以提供給用戶和其它軟體方便的介面和環境，它是計算機系統中最基本的系統軟體，

五、作業系統的功能和目標 -- 作為系統資源的管理者

行程是一個程式的執行程序，執行前需要將該程式放到記憶體中，才能被CPU處理，

① 作業系統作為系統資源的管理者（這些資源包括軟體、硬體、檔案等），需要提供什么功能？

作為系統資源的管理者

（1）提供的功能

• 處理機管理
• 存盤器管理
• 檔案管理
• 設備管理

（2）目標

• 安全
• 高效

用微信和朋友視頻聊天的程序：

② 作業系統作為用戶與計算機硬體之間的介面，要為其上層的用戶、應用程式提供簡單易用的服務，需要實作什么功能？

作為計用戶和計算機硬體之間的介面

（1）提供的功能

1. 命令介面（聯機命令介面、脫機命令介面）
2. 程式介面
3. GUI圖形用戶界面

（2）目標，方便用戶使用

命令介面：允許用戶直接使用

程式介面：允許用戶通程序式間接使用

GUI：現代作業系統中最流行的圖形用戶介面

1、命令介面

聯機命令介面 = 互動式命令介面

大概的意思就是你說一句，系統做一句，

比如cmd命令：

脫機命令介面 = 批處理命令介面

2、程式介面

比如C:\Windows\System32\user32.dll l程式員在程式中呼叫user32.dll（該呼叫即為系統呼叫）即可實作創建視窗等功能，只能通過用戶程式間接使用，

3、GUI圖形用戶界面

用戶可以使用形象的圖形化界面進行操作，而不再需要使用復雜的命令或引數了，

③ 作業系統作為最接近硬體的層次，需要在純硬體的基礎上實作什么功能？

需要提供的功能和目標：實作對硬體機器的拓展

沒有任何軟體支持的計算機稱為裸機，在裸機上安裝作業系統，可以提供資源管理功能和方便用戶的服務功能，將裸機改造成功能更強、使用更方便的機器，

通常把覆寫了軟體的機器稱為擴充機器，又稱為虛擬機，

六、作業系統的特征

1、并發

指多個事件在同一事件間隔內交替發生，

2、并行

指多個事件在同一時刻同時發生，

一個單核處理機CPU同一時刻只能執行一個程式，因此作業系統會負責協調多個程式交替執行（這些程式微觀上是交替執行的，但是宏觀上看起來就像同時執行）

當今的計算機，一般都是多核CPU，比如我現在用的聯想小新Pro16的CPU就是I5 11300H，它是一個四核CPU，這意味著同一時刻可以有4個程式并行執行，但是作業系統的并發性依然必不可少，因為電腦可能開著十幾個應用程式，比如微信、谷歌、騰訊、酷狗音樂、Excel等等，都是需要同時作業的，而且電腦運行時，電腦系統自帶的程式，也數不勝數，

3、共享

共享即資源共享，是指系統中的資源可供記憶體中多個并發執行的行程共同使用，

兩種資源共享的方式：

（1）互斥共享方式

系統中的某些資源，雖然可以提供給多個行程使用，但一個時間段內只允許一個行程訪問該資源，

如對攝像頭設備的共享使用，

（2）同時共享方式

系統中的某些資源，允許一個時間段內有多個行程“同時”對它們進行訪問，

所謂的“同時”往往是宏觀的，而從微觀上講，這些行程可能是交替地對該資源進行訪問的，即分時共享，

如對硬碟資源的共享使用，

4、虛擬

虛擬是指把一個物理上的物體變為若干個邏輯上的對應物，物理物體是實際存在的，而邏輯上對應物是用戶感知到的，

用一個例子來理解：

眾所周知，一個程式需要放入記憶體并給它分配CPU才能執行，

GTA5游戲需要4GB的運行記憶體，QQ需要256MB的記憶體，迅雷需要250MB的記憶體，網易云音樂需要256MB的記憶體...

我的電腦4GB，

問題：這些程式同時運行需要的記憶體遠遠大于4GB，那么為什么它們還可以在我的電腦上同時運行呢？

答：這是虛擬存盤器技術，實際只有4GB的記憶體，在用戶看來似乎遠遠大于4GB，這應用了虛擬機技術中的“空分復用技術”，微觀上處理機在各個微笑的時間段內交替為各個行程服務，

5、異步

異步是指，在多道程式環境下，允許多個程式并發執行，但由于資源有限，行程的執行不是一管到底的，而是走走停停，以不可預知的速度向前推進，這就是行程的異步性，

如果失去了并發性，則系統只能串行的處理各個行程，每個行程的執行會一貫到底，只有系統擁有并發性，才有可能導致異步性，

6、總結

如果沒有并發和共享，就談不上虛擬和異步，因此并發和共享是作業系統的兩個最基本的特征，

七、作業系統的發展和分類

1、手工操作階段

缺點：人機速度矛盾

2、批處理階段

（1）單道批處理系統（引入脫機輸入輸出技術）

優點：緩解人機速度矛盾

缺點：資源利用率較低

（2）多道批處理系統（作業系統開始出現）

優點：多道程式并發執行，資源利用率高

缺點：不提供人機互動功能

3、分時作業系統

優點：提供人機互動功能

缺點：不能有限處理緊急任務

4、實時作業系統

（1）硬實時系統

必須在絕對嚴格的規定時間內完成處理

（2）軟實時系統

能接受偶爾違反時間規定

（3）優點：能優先處理緊急任務

5、網路作業系統

6、分布式作業系統

7、個人計算機作業系統

八、作業系統的運行機制和體系結構

1、什么是指令

簡單來說，指令就是處理器CPU能識別、執行的最基本命令，比如：加法指令就是讓CPU進行加法運算，

2、兩種指令、兩種處理器狀態、兩種程式

（1）兩種指令

① 特權指令

如記憶體清零指令，不允許用戶程式使用

② 非特權指令

如普通的運算指令

（2）兩種處理器狀態

① 用戶態

此時CPU只能執行非特權指令

② 核心態

特權指令、非特權指令都可以執行

用程式狀態字暫存器中的某標志位來標識當前處理器處于什么狀態，如0為用戶態，1為核心態，

（3）兩種程式

① 內核程式

作業系統的內核程式時系統的管理者，既可以執行特權指令，也可以執行非特權指令，運行在核心態，

② 應用程式

為了保證系統能安全運行，普通應用程式只能執行非特權指令，運行在用戶態，

3、作業系統中的哪些功能應該由內核程式實作呢？

內核是計算機上配置的底層軟體，是作業系統最基本、最核心的部分，

實作作業系統內核功能的那些程式就是內核程式，

（1）與硬體關聯較緊密的模塊

① 時鐘管理

實作計時功能

② 中斷處理

負責實作中斷功能

③ 原語

是一種特殊的程式
出于作業系統最底層，是最接近硬體的部分
這種程式的運行具有原子性，其運行只能一氣呵成，不可中斷
運行時間較短、呼叫頻繁
（2）對系統資源進行管理的功能

• 行程管理
• 存盤器管理
• 設備管理

有的作業系統不把這部分功能歸為“內核功能”，也就是說，不同的作業系統，對內核功能的劃分可能并不一樣，

4、作業系統的體系結構可以分為大內核和微內核，

（1）大內核：

• 將作業系統的主要功能模塊都作為系統內核，運行在核心態
• 優點：高性能
• 缺點：內核代碼龐大，結構混亂，難以維護

（2）微內核：

• 只把最基本的功能保留在內核，
• 優點：內核功能少，結構清晰，方便維護
• 缺點：需要頻繁地在核心態和用戶態之間切換，性能

九、中斷和例外

1、中斷的概念和作用

1. 當中斷發生時，CPU立即進入核心態
2. 當中斷發生后，當前運行的行程暫停運行，并由作業系統內核對中斷進行處理
3. 對于不同的中斷信號，會進行不同的處理

發生了中斷，就意味著需要作業系統介入，開展管理作業，由于作業系統的管理作業（比如行程切換、分配IO設備等）需要使用特權指令，因此CPU要從用戶態切為核心態，中斷可以使CPU從用戶態切換為核心態，使作業系統獲得計算機的控制權，有了中斷，才能實作多道程式并發執行，

用戶態和核心態的切換是通過中斷實作的，并且中斷是唯一途徑，

2、中斷的分類

（1）內中斷

信號來源：CPU內部

① 陷阱

有意而為之的例外，如系統呼叫

② 故障

由錯誤條件引起的，可能被故障處理程式修復，如缺頁，

③ 終止

不可恢復的錯誤造成的結果，終止處理程式不再將控制回傳給引發終止的應用程式，如整數除0，

（2）外中斷

信號來源：CPU外部

① IO中斷請求

② 人工干預

3、外中斷的處理程序

執行完每個指令后，CPU都要檢查當前是否有外部中斷信號
如果檢測到外部中斷信號，則需要保護被中斷行程的CPU環境（如程式狀態子PSW、程式計數器PC、各種通用暫存器）
根據中斷信號型別轉入相應的中斷處理程式
恢復原行程的CPU環境并退出中斷，回傳原行程繼續往下執行

十、系統呼叫

1、什么是系統呼叫

系統呼叫是作業系統提供給應用程式使用的介面，可以理解為一種可供應用程式呼叫的特殊函式，應用程式可以發出系統呼叫請求來獲得作業系統的服務，

2、系統呼叫作用

應用程式通過系統呼叫請求作業系統的服務，服務中的各種共享資源都由作業系統統一掌管，因此在用戶程式中，凡是與資源有關的操作（如存盤分配、IO操作、檔案管理等），都必須通過系統呼叫的方式向作業系統提出服務請求，由作業系統代為完成，這樣可以保證系統的穩定性和安全性，防止用戶進行非法操作，

3、系統呼叫的分類

1. 設備管理（完成設備的請求、釋放、啟動等功能）
2. 檔案管理（完成檔案的讀寫、創建、洗掉等功能）
3. 行程控制（完成行程的創建、撤銷、阻塞、喚醒等功能）
4. 行程通信（完成行程之間的訊息傳遞、信號傳遞等功能）
5. 記憶體管理（完成記憶體的分配、回收等功能）

系統呼叫相關處理涉及到對系統資源的管理，對行程的控制，這些功能需要執行一些特權指令才能完成，因此系統呼叫的相關處理需要在核心態下進行，

4、系統呼叫的程序簡介

傳遞系統呼叫引數 -> 執行陷入指令（用戶態） -> 執行系統呼叫相應服務程式（核心態） -> 回傳用戶程式，

小總結：

1. 陷入指令是在用戶態執行的，執行陷入指令之后立即引發一個內中斷，從而CPU進入核心態
2. 發出系統呼叫請求的是用戶態，而對系統呼叫的相應處理在核心態下進行
3. 陷入指令是唯一一個只能在用戶態執行，而不可在核心態執行的指令

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