概念、功能和目标

层次结构

• 用户
• 应用程序（软件）
• 操作系统
• 硬件裸机

概念

• 控制和管理系统资源（硬件和软件）
  • 并合理地组织、调度计算机的工作与资源的分配
• 是系统最基本最核心的软件，属于系统软件
• 为上层用户和软件提供方便的接口和环境

功能和目标

作为系统资源的管理者

补充：执行程序前需要将程序放到内存中，才能被CPU处理

1. 文件管理：找到QQ.exe
2. 存储器管理：把QQ.exe从磁盘放入内存中
3. 处理机管理：对应的进程被处理机（CPU）处理
4. 设备管理：视频聊天，把摄像头设备分配给QQ.exe

目标：安全高效

向上层提供方便易用的服务

硬件只听得懂二进制指令（不友好的交互接口）

在硬件上安装了操作系统，操作系统对外暴露友好的交互接口，即封装。上层用户不需要关心底层硬件的原理，只需对操作系统发出命令即可。

接口

前三种给用户用，第四种给程序员使用

1. GUI 图形化用户接口（不需要记忆复杂的命令参数），如拖动文件到回收站

2. 联机命令接口 = 交互式命令接口 （cmd）用户说一句，系统跟着做一句。

3. 脱机命令接口 = 批处理命令接口 （.bat) 用户说一堆，系统跟着做一堆。

4. 程序接口（一系列系统调用组成），普通用户不能直接使用程序接口，只能通过程序代码间接使用。（在程序中进行系统调用来使用程序接口)

   • C语言库函数print函数的底层使用到了操作系统提供的“系统调用”，操作系统在收到系统调用的相关请求之后，才会去操作硬件（显示器）

   • 系统调用又叫“广义指令”

• 命令接口+程序接口 = “用户接口”

作为最接近硬件的层次

1. 需要实现对硬件机器的拓展
   • 没有任何软件支持的计算机成为裸机
   • 把覆盖了软件的机器称为扩充机器，又称之为虚拟机

操作系统对硬件机器拓展，让各种硬件能够相互协调配合，实现更多复杂的功能

四个特征

并发和共享是两个最基本的特征，两者互为存在条件。

并发

指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。宏观上是同时发生，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。并行 ~= 并发 （不等于）

操作系统的并发性指系统同时运行多个程序，宏观上看同时运行，微观上看是交替运行的。

操作系统是伴随着“多道程序技术”而出现的。操作系统和程序并发是一起诞生的。

单核CPU同一时刻只能执行一个程序，各个程序只能并发地执行

多核CPU同一时刻同时执行多个程序，多个程序可以并行地执行

4核 CPU 同一时刻可以 并行 执行 4 个程序，4 个以上程序运行 并发性 是必不可少的

共享

资源共享：系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程共同使用

1. 互斥共享方式：一个时间段内只允许一个进程访问该资源
   1. QQ和微信视频。同一个时间段内摄像头只能分配给其中一个进程
2. 同时共享方式：一个时间段内由多个进程“同时”对它们访问
   1. 用QQ发送文件A，同时微信发送文件B
      1. 宏观上，两边同时读取并发送文件，两个进程都在访问硬盘资源。微观上看，两个进程是交替着访问硬盘的。
      2. 扬声器。宏观同时，微观上也是同时

并发和共享是互为存在的

用QQ发送文件A，同时微信发送文件B

• 两个进程并发执行
  • 如果失去并发性，那么系统只有一个程序在运行，共享性无意义
• 两个进程共享地访问硬盘资源
  • 如果失去共享性，QQ和微信不能同时访问硬盘资源，不能同时发送文件，无法并发

虚拟

把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，逻辑上对应物是用户感受到的。

一个程序需要放入内存并给它分配CPU才能执行。

虚拟存储器技术（空分复用技术）：实际只有4gb内存，在用户看来似乎远远大于4gb（运行了多个程序）

虚拟处理器技术（时分复用技术）：实际上只有一个单核CPU，在用户看来似乎有6个CPU在同时为自己服务。

没有并发性，虚拟性就没有存在的意义。

异步

程序是有序代码的集合，进程是程序的执行。

进程的异步性：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。

只有系统拥有并发性，才有可能导致异步性。

发展和分类

手工操作阶段

• 纸带机：用户独占全机、人机速度矛盾导致资源利用率低

单道批处理系统

• 引入脱机输入/输出技术，读入磁带->计算->输出磁带
• 缓解了一定程度的人机速度矛盾，资源利用率有所提升
• 内存中仅能有一道程序运行。CPU有大量时间是在空闲等待I/O完成

多道批处理系统

• 每次往内存中读入多道程序
• 多道程序可以并发执行，共享计算机资源。资源利用率大幅提升，CPU和其他资源更能保持“忙碌”状态，系统吞吐量大
• 用户响应时间长，没有人机交互功能。无法在程序运行过程中输入一些参数

分时操作系统

• 以时间片为单位轮流为各个用户/作业服务
• 用户请求可以被即时响应，解决了人机交互问题
• 不能优先处理一些紧急任务

实时操作系统

• 能够优先响应一些紧急任务，某些紧急任务不需时间片排队
• 硬实时系统：必须在绝对严格的规定时间内完成处理
• 软实时系统：能接受偶尔违法时间规定

其他操作系统

运行机制

程序是如何运行的

C语言代码 经过编译器翻译成 机器指令（二进制）

一条高级语言翻译过来可能会对应多条机器指令

程序运行的过程其实就是CPU执行一条一条机器指令的过程

⭐ 指令 就是CPU能识别、执行的最基本命令（二进制机器指令）

内核程序与应用程序

普通程序员写的程序就是 应用程序 ，跑在操作系统之上。只能使用非特权指令。

负责实现操作系统的程序 内核程序，Kernel

内核是操作系统最重要最核心的部分，也是最接近硬件的部分。甚至说一个操作系统只要有内核就够了，操作系统的功能未必都在内核中，如图形化用户界面。

内核程序作为管理者，有时会让CPU执行一些特权指令，如内存清零指令。这些指令影响重大，只允许管理者，即操作系统内核来使用。

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还要判断程序类型。CPU有两种状态，内核态 和 用户态，内核态可以执行特权指令，用户态可以执行非特权指令。

CPU内有一个寄存器交 程序状态字寄存器（PSW），其中有一个二进制位，1表示内核态，0表示用户态

内核态=核心态=管态；用户态=目态

1. 刚开机时，CPU为内核态，操作系统内核程序先上CPU运行
2. 开机完成后，用户启动某个应用程序
3. 操作系统内核程序在合适时候主动让出CPU，让应用程序上CPU运行
   1. 在让出CPU之前，会用一条特权指令把PSW的标志位设置为用户态
4. 应用程序运行在用户态
5. 应用程序执行一条特权指令
   1. CPU读取后发现为特权指令又根据PSW知道是用户态
6. 这个非法事件会引发一个中断信号
7. 中断使操作系统再次夺回CPU的控制权
   1. CPU立即变为核心态，并停止运行当前的应用程序
8. 操作系统会对引发中断的事件进行处理，处理完了再把CPU使用权交给别的应用程序
   1. 运行处理中断信号的内核程序

内核态到用户态：执行一条 特权指令，修改PSW的标志位为用户态，操作系统主动让出CPU使用权

用户态到内核态：由 中断 引发，硬件自动完成变态过程，触发中断信号意味着操作系统将强行夺回CPU的使用权。但凡需要操作系统介入的地方，都会触发中断信号

中断和异常

中断 是让操作系统内核夺回CPU使用权的唯一途径

如果没有中断机制，一旦应用程序上CPU运行，CPU就会一直运行这个应用程序

中断的类型

• 内中断：与当前执行的指令有关，中断信号来源于CPU内部
  • 当前执行的指令时非法的
    • 试图在用户态下执行特权指令
    • 执行除法指令时发现除数为0
  • 应用程序想请求操作系统内核的服务，特殊指令“陷入指令”，该指令会引发一个内部中断信号，主动把CPU使用权还给内核
    • 系统调用就是用陷入指令完成的。陷入指令不是特权指令
• 外中断：与当前执行的指令无关，中断信号来源于CPU外部
  • 时钟中断：由时钟部件发来的中断信号
    • 时钟部件每隔一个时间片会给CPU发送一个时钟中断信号
      • 处理时钟中断的内核程序会决定接下来让另外一个应用程序上CPU运行
  • I/O 中断：由输入/输出设备发来的中断信号
    • 当输入输出任务完成时，向CPU发送中断信号

CPU在每一条指令执行结束都会例行检查是否有外中断信号

中断机制的基本原理

不同的中断信号，需要用不同的中断处理程序来处理。根据类型查询 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。

系统调用

操作系统提供给应用程序使用的接口。应用程序可以通过系统调用来请求获得操作系统内核的服务。

• 不涉及系统调用：取绝对值
• 涉及系统调用：新建一个文件

为什么系统调用是必须的

操作系统内核对共享资源进行统一的管理，并向上提供系统调用，用户进程想要使用打印机这种共享资源，只能通过系统调用向操作系统内核发出请求。内核会对各个请求进行协调处理。

系统调用的功能

凡是与共享资源有关的操作，都必须通过系统调用的方式向操作系统内核提出服务请求。

系统调用的过程

体系结构

操作系统内部划分

计算机系统层次结构中操作系统内部还能进一步划分

• 非内核功能（如GUI）
• 内核
  • 进程管理、存储器管理、设备管理
  • 时钟管理、中断处理、原语（设备驱动、CPU切换）

原语是一种特殊的程序，具有原子性（这种程序要么一气呵成全部完成，要么不执行，执行过程不可被中断）

内核设计方法

• 大内核：把所有功能包含到内核
• 微内核：保留与硬件关联紧密的模块
  • 不属于内核的功能要运行在用户态，会造成性能影响。对系统资源管理的模块去请求内核的服务，会进行多次变态。而且用户态不同功能模块调用要通过内核的进行消息传递。

• 分层结构
  • 内核分多层，最底层硬件，最上层用户接口。每一层只能调用相邻的一层的用户接口
  • 优点
    • 便于调试和验证，只需自底向上逐层调试验证
    • 易于扩充与维护，层与层之间调用接口在设计之初就规定好了，清晰固定。新加一层只需向上层跟下层提供一样的接口。
  • 缺点
    • 仅可调用相邻低层，难以合理定义各层的边界
    • ⭐ 效率低，不可跨层调用，系统调用执行时间长
• 模块化
  • 把内核划分为多个模块，各模块之间相互协作
  • 内核 = 主模块 + 可加载模块
  • 优点
    • 模块之间逻辑清晰易于维护，确定模块接口能多模块同时进行开发
    • ⭐ 支持加载新的内核模块（新的设备驱动模块，新的文件系统），添加OS适应性
    • ⭐ 任何模块都可以直接调用其他模块，无需采用消息传递进行通信，效率高
  • 缺点
    • 模块之间接口定义不一定是合理、实用的
    • 模块间相互依赖，难以调试和验证
• 外核
  • 
  • 主要是有个普通内核和一个外核，普通内核负责进程管理和消息通信。外核负责为用户进程分配未抽象的系统资源。未抽象可以理解为未进行虚拟映射的内存物理地址或磁盘块地址

引导

虚拟机

传统计算机一台物理机器上只能运行一个操作系统，会带来应用上的限制。