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Chapter One 操作系统概述

操作系统

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，并合理组织和调度计算

机的⼯作和资源分配，是最基本的系统软件。

特征：并发、共享(两个最基本的特征)、虚拟、异步。

并发：指同⼀时间间隔内发⽣，区别于并⾏。微观上分时地交替执⾏。

功能：是计算机系统资源 (处理机、存储器、⽂件、设备)的管理者

⽤户与计算机硬件系统之间的接⼝：

①命令接⼝ (允许⽤户直接使⽤)(1)联机(交互式)命令接⼝(适⽤于分时or实时)

(2)脱机(批处理)命令接⼝

②程序接⼝ (=系统调⽤命令)

③GUI (图形接⼝调⽤系统命令)

注：在多道程序环境下，处理机的分配和运⾏都以进程(或线程)为单位。

系统调⽤是由操作系统提供给⽤户的，它只能通过⽤户程序间接使⽤。

操作系统的发展：批处理—>分时—>实时—>网络和分布式

①批处理 (缺点：没有交互能⼒)

单道批处理—>顺序性(CPU⼤量时间在空闲等待I/O)

多道批处理 (失去封闭性)—> 制约性、间断性、共享性

特点：多道、宏观上并⾏，微观上串⾏。

②分时系统：(以时间⽚为单位)允许多个⽤户以交互的⽅式使⽤计算机

特点：同时性、交互性、独⽴性、及时性

分时系统能较快、及时接收并处理命令，快速响应⽤户。

(通常采⽤优先级+⾮抢占式调度算法)

分时系统中，时间⽚⼀定时，⽤户数越多，响应时间越⻓。

③实时系统：在某个时间限制内完成某些紧急任务⽽不需时间⽚排队

特点：及时性、可靠性

(通常采⽤抢占式优先级⾼者优先算法)

④⽹络(⽹络资源共享)和分布式：区别是在分布式中，若⼲计算机相互协同完成同⼀任务

系统调用 (运行在核心态)(涉及设备、文件、进程、内存)

⽤户程序凡是与资源有关的操作(存储分配、I/O、管理⽂件)都必须通过系统调⽤。

过程：传递系统调⽤参数—>执⾏陷⼊(trap)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

系统调⽤功能是操作系统向⽤户程序提供的接⼝

注：系统调⽤是⼀种特殊公共⼦程序

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。

⼴义指令：也就是系统调⽤命令 (可能在⽤户态调⽤，但处理必须在核⼼态)

⽤户程序 (⽤户⾃编or系统外层应⽤程序)⼯作在⽤户态；内核程序⼯作在核⼼态。

特权指令：只能在核⼼态运⾏的指令

如：I/O指令、置中断指令、存取⽤户内存保护的寄存器、送程序状态字 (可区分⽬态、管

态)到程序状态字寄存器。 (包括系统调⽤类、时钟类、中断和原语指令，清内存、分配系

统资源、修改虚拟存储⾥的⻚表段表、修改⽤户访问权限等)

中断和异常：引入中断技术的初衷是提高多道程序运行环境中CPU的利用率

中断的分类：①内中断(异常、例外、陷⼊trap) (不可被屏蔽！)

⾃愿中断—指令中断：访管指令(只能⽤户态使⽤)

强迫中断—硬件故障(缺⻚)

—软件中断(⾮法操作码、地址越界、算数溢出、虚存系统缺⻚以及

专⻔的陷⼊)

②外中断(强迫中断)

外设请求：I/O结束、时钟中断

⼈的⼲预：⽤户按ESC or 退出键

注：区分内/外中断看信号来源：CPU内部/外部。

访管中断：⽤户程序在⽤户态下要使⽤特权指令(由访管中断引起)引起的中断。

⽤户程序需要输⼊/输出时(I/O)，调⽤OS提供的接⼝，此时引起访管中断。

所有中断都是在核⼼态下执⾏的！ (进程切换、对资源的释放)

⽤户态(发⽣中断 or 异常)—>核⼼态 (通过硬件、系统调⽤、访管指令实现)

核⼼态(使⽤特权指令)—>⽤户态 (通过中断返回指令)

注：中断系统 (OS必需)和地址映射需要硬件⽀持，进程调度不需要。

原语

处于最底层；不可分割的指令序列；运⾏时间短，调⽤频繁

PV操作是⼀种低级的进程通信语⾔，由两个不可中断的过程组成，并⾮系统调⽤。

体系结构：

⼤内核(⾼性能；结构混乱)、微内核(内核功能少；在⽤户态、核⼼态之间切换频繁，性

能低；结构清晰；添加系统服务时不必修改内核；使系统更可靠)

Chapter Two 进程管理

进程概念：

进程 (动态)是资源分配的⼀个独⽴单位。程序：静态

进程的特征：动态性(最基本)、并发性(重要特征)、独⽴性、异步性、结构性 (进程实

体(进程映像)由程序段、数据段、PCB三部分组成)