第一章
第一节 操作系统的概念、功能与目标
-
操作系统作为用户接口，提供了如下功能:
命令接口（允许用户直接使用）
- 联机命令接口：交互（如命令行，用户说一句系统做一句）
- 脱机命令接口：用户说一句系统做一堆
程序接口（允许用户通过程序间接调用）
- 由一组系统调用组成（程序接口 = 系统调用 = 广义指令）
GUI
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自顶向下的层次结构
用户
应用程序
操作系统
裸机（硬件）
第二节 操作系统的特征（4个特征）
并发、共享互为存在条件，并发是虚拟和异步的前提
并发：指两个事情同时发生（宏观上同时，微观上交替发生）
- 操作系统的
并发，指同时存在多个运行着的程序 - 并行是指宏观、围观都是同时发生（如多线程）
共享：系统钟的资源可以被内存的多个并发进程共同使用
两种共享方式
- 互斥共享：一个时间段内只允许一个进程使用
- 同时共享：一个时间段内只允许多个进程使用
虚拟：将物理实体变成若干个逻辑上的对应（如虚拟存储）
两种虚拟技术（并发性是前提）
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空分复用技术（如虚拟存储器）
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时分复用技术（如虚拟处理器）
异步：多程序环境下，允许多个程序并发执行。因为多程序的原因，各程序的执行“走走停停”而不是一贯到底（并发性是前提）
第三节 操作系统的发展与分类
手工操作阶段（没有操作系统）
批处理阶段
单道批处理系统
- 内存中只能运行一道程序，CPU大量空闲以等待I/O完成
多道批处理系统
分时操作系统
分时操作系统是完全“公平”的，任务不存在优先级
实时操作系统（及时性和可靠性）
硬实时系统：绝对严格的时间内完成处理
软实时系统：偶尔违反时间约定
网络操作系统
分布式操作系统
个人计算机系统
第四节 OS的运行机制和体系结构
运行机制
两种指令
特权指令：只允许内核程序使用的指令
非特权指令：内核和应用程序均可使用（如加减乘除）
两种处理器状态
核心态和用户态，是CPU来“分辨”两种指令的方式
使用程序状态寄存器（PSW）中的二进制位区分两种状态
核心态（内核态、管态）：此时正在执行内核程序，此时可以执行特权指令
内核态 -> 用户态：一条修改状态寄存器PSW的特权指令
用户态（目态）：此时运行应用程序，只能执行非特权指令
用户态 -> 内核态：中断引起，由硬件自动完成
两种程序
内核程序：实现操作系统的程序，很多内核程序组成了操作系统内核Kernel，是最接近硬件的部分
应用程序：操作系统之上的程序
第五章 中断和异常
中断的作用：将CPU的使用权从应用程序交还到内核程序
中断的类型
内中断：异常
内中断的产生与当前执行的指令有关
指令检查时发生
程序请求操作系统内核的服务，使用“陷入指令”（陷入指令不是特权指令）
应用程序故意引发
错误条件引起
由内核程序修复故障，再交回使用权
（比如缺页故障）
致命错误，内核也无法修复
不将使用权再交回应用程序，而是直接终止程序
（比如整数除以0，用户程序非法调用特权指令）
中断来自CPU内部
外中断：狭义的中断
与当前指令无关
时钟并发：
应用程序1（用户态） -> 中断处理的内核程序（内核态） -> 应用程序2（用户态）
每个时钟周期的末尾都会执行
中断信号来自CPU外部
中断的基本原理：
不同的中断信号由不同的中断程序处理
根据中断信号类型查询“中断向量表”
中断处理程序是一种内核态程序
第六节 系统调用
什么是系统调用：系统调用使处理器从用户态进入核心态
系统调用是指可供应用程序调用的，提供操作系统服务的特殊函数，保证系统的稳定性和安全性防止非法操作
操作系统对于上层应用程序的接口分为命令接口和程序接口（本章第一节）
系统调用按照功能分类
设备管理：设备的请求、释放、启动
文件管理：文件的读、写、创建、删除
进程控制：进程的创建、撤销、阻塞、唤醒
进程通信：进程间的消息和信号传递
内存管理：内存的分配和回收
系统调用的处理是核心态下完成，是一种特权指令
系统调用和库函数
库函数（部分）是部分系统调用的封装
系统调用的过程：传递系统调用参数 -> 执行陷入指令（用户态，引发内中断） -> 执行系统调用相应服务（核心态） -> 返回用户程序继续执行
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