1.概述

1.1.定义

  • 1.1.1.操作系统是位于硬件层之上，所有软件层之下的一个系统软件，使得管理系统中各种软件和硬件资源得以充分利用，方便用户使用计算机。

1.2.作用

  • 1.2.1.管理系统中各种资源
  • 1.2.2.为用户提供良好的界面

1.3.特性

  • 1.3.1.并发性

    • 并发和并行 ：
      • 并发 ：计算机系统中同时存在多个程序，从宏观上看，这些程序是同时向前推进的。
      • 并行： 并行要求 微观上的同时，即绝对的统一时刻有多个程序同时向前推进。
      • 并发的具体体现 用户程序和用户程序之间的并发执行，用户程序和操作系统之间的并发执行， 操作系统和操作系统之间的并发执行。

  • 1.3.2.共享性

    • 操作系统与多个用户程序公用系统中的各种资源，这种共享是在操作系统的控制下实现操作系统要控制系统中当前资源的使用情况，并决定各个程序进入系统的次序以及使用资源的次序。

  • 1.3.3.异步性

    • 操作系统之上宏观上运行着多个程序，这些程序是交替执行的。交替的切换点是中断，中断使用户程序切换到操作系统；嵌套中断使一断操作系统切换到另一段操作系统，而中断的发生是不确定的，因而操作系统的运行轨迹是异步的，不可预知的。

  • 1.3.4.虚拟性

    • 虚拟：就是利用某种技术把一个物理实体变为若干个逻辑实体。物理实体是实际存在的，而逻辑实体是虚化的

1.4.分类

  • 1.4.1.多道批处理操作系统
  • 1.4.2.分时操作系统
  • 1.4.3.实时操作系统
  • 1.4.4.通用操作系统
  • 1.4.5.网络操作系统
  • 1.4.6.分布式操作系统 等。。。

1.5.硬件环境

  • 1.5.1.定时装置

    • 绝对时钟

      • 绝对时钟类似电子表，起时间表示形式为：年 月 日 时 分 秒
      • 绝对时钟的值保存于硬件寄存器中，开机时可由电源供电计时，关机时可由机内电池供电计时，其值可由程序设定和修改，但是一般通过特权指令完成，程序也可以读取绝对时钟的值
      • 操作系统需要根据绝对时钟的值记录作业进入系统和处理的时间，文件的修改和存取时间，资源占用时间，日志记录时间。

    • 间隔时钟

      • 间隔闹钟也称为闹钟，每隔固定的时间，发生一次时钟中断。时钟中断发生后，操作系统获得系统的控制权，以便运行系统管理和实现程序并发。

  • 1.5.2.系统栈

    • 定义

      • 内存中操作系统空间的一个固定区域

    • 用途

      • 1.中断响应时保存中断现场，对于嵌套中断，被中断程序现场信息一次压入系统栈，中断返回时逆序弹出
      • 2.保存操作系统子程序之间相互调用的参数，返回值，返回点以及子程序的局部变量。当然长度较短的参数 返回值也可以通过寄存器传递。

    • 注：

      • 对于每个运行程序有一个对应的系统栈，进程切换的同时伴随系统栈的切换，但是硬件只有一个系统栈指针

  • 1.5.3.特权指令和非特权指令

    • 特权指令:

      • 只能在管态下才能执行的指令称为特权指令，如：开关中断，修改地址映射寄存器等。这些指令的执行不仅影响程序本身，也会影响其他程序，甚至整个系统。这些指令一般只有操作系统才能执行，一般用户程序不可执行

    • 非特权指令

      • 在管态和目态下均可以执行的指令，这些指令只与运行程序本身有关，不会影响其他程序和操作系统。

  • 1.5.4.处理器状态和状态转换

    • 处理器状态

      • 管态

        • 管态也称为系统态，核心态，是操作系统运行时所处的状态 计算机处于管态时可以执行硬件所提供的全部指令（特权非特权）由于特权指令可以修改程序状态字（置PSW），而机器状态是程序状态字的一部分，因而在管态下可以改变机器状态，从而实现从管态转换为目态.

      • 目态

        • 目态也称用户态，是一般用户程序运行时所处的状态; 处理器处于目态时只能执行非特权指令，若用户程序处理目态执行特权指令，硬件将产生中断，进入操作系统，特权指令将被制止。由于 置程序状态字 为特权指令，目态程序不能将其运行状态转换为管态，这样可以防止用户有意或无意地侵入系统，从而起到保护系统的作用

    • 状态转换

      • 目态到管态

        • 由于修改程序状态字是特权指令，只能在管态执行，所以由目态到管态唯一途径就是发生中断 管态到目态

      • 管态到目态

        • 管态到目态的转换可以通过修改程序状态字（置PSW）来实现

  • 1.5.5.地址映射机构

    • 为使每个程序的基本单位都能从0开始编址，硬件需要 提供地址映射机构，负责将运行程序所产生的逻辑地址转换为内存物理地址。

  • 1.5.6.存储保护设施

    • 一个程序有意或无意产生的错误可能会侵犯其他程序空间甚至操作系统空间，为防止这些情况，硬件必须提供存储保护措施，当发生存储越界错误或非法存取错误的时候，存储保护设施能够立即发现，并触发中断进入管态加一制止

  • 1.5.7.中断装置

    • 定义

      • 中断是指计算机运行过程中，出现某些意外情况需主机干预时，机器能自动停止正在运行的程序并转入处理新情况的程序，处理完毕后又返回原被暂停的程序继续运行

      • 中断嵌套：指中断系统正在执行一个中断服务时，有另一个优先级更高的中断提出中断请求，这时会暂时终止当前正在执行的级别较低的中断源的服务程序，去处理级别更高的中断源，待处理完毕，再返回到被中断了的中断服务程序继续执行，这个过程就是中断嵌套。

    • 功能

      • 发现中断

        • 中断发生时能够识别，有多个中断事件同时发生时，按优先级响应最高者

      • 响应中断

        • 将目前运行进程的中断向量PSW 和 PC 压入系统栈，然后根据中断原因到指定的内存单元将新的中断向量取出并送到寄存器中，从而控制转到相应的中断处理程序

  • 1.5.8.通道与DMA控制器

    • 通道是专门负责输入输出操作的处理器，具有自己的指令系统，可以执行通道程序，完成CPU委托的输入输出操作任务

    • DMA（直接存储访问）与通道类似，与通道相比，DMA相对简单，没有专门的指令系统，一般一次只能传输一个数据块

  • 1.6.研究操作系统的几种观点

    • 1.6.1.进程观点

    • 1.6.2.资源管理观点

    • 1.6.3.虚拟机观点