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操作系统宏观理解讲解

sanshao 2021年04月03日 程序员 181 0

操作系统的功能和目标

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操作系统的特征

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操作系统的一个宏观的比喻(操作系统讲了什么,如何学习):

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计算机如何运行程序,操作系统如何启动

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OS是软件资源和硬件资源的管理者(既是目的,也是功能)

1.CPU如何分配?
2.内存如何分配?=》通过划分地盘
3.磁盘如何分配?
4.外设如何分配?=》通过USB接口

注:计算机如何检测外设接入–通过中断

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操作系统的演变

操作系统演变阶段 注释
手工操作阶段 纸带机,计算机速度快,人工和纸带速度慢。缺点:用户独占全机,人机速度矛盾,导致资源利用率低
单道批处理阶段 引入脱机输入/输出技术(用磁带完成),并监督程序负责控制作业的输入、输出,优点:解决了一定程度的人机速度矛盾,资源利用率有所提升。缺点:内存中只能有一道程序运行,存在大量的I/O时间,资源利用率依然很低
多道批处理系统 每次往内存中输入多道程序(放入多个磁带),引入了中断技术,由操作系统负责管理这些程序的运行。各个程序并发执行(操作系统正式诞生)优点:多道程序并发执行,共享计算机资源。资源利用率大幅度提升。缺点:用户响应时间长,没有人机交互功能(用户只能等待计算机处理完成自己的作业,不能够自己控制)
分时操作系统 计算机采用时间片轮转的方式轮流为各个用户/作业服务,各个用户可通过终端与计算机进行交互。优点:用户请求可以被及时响应,解决了人机交互问题,允许多个用户同时使用一台计算机,并且用户对计算机的操作相互独立,感受不到别人的存在。缺点:不能优先处理一些紧急任务。操作系统对每个作业都是公平的。
实时操作系统 优点:能够优先响应一些紧急任务,某些紧急任务不需要时间片排队,保证了及时性和可靠性 分为硬实时操作系统和软实时操作系统,硬实时操作系统必须严格在规定的时间内完成处理,软实时系统能接收偶尔违反时间规定
网络操作系统 了解即可,实现各台计算机之间的通信,实现各种网络资源的共享(如文件共享等)
分布式操作系统 了解即可,特点是:分布性和并行性,系统中的各台计算机地位相同,任何工作都可以分布在这些计算机上,由它们并行、协同完成这个任务
个人计算机操作系统 windows,mac,android等,方便个人使用

操作系统的运行机制和体系结构

预备知识:
什么是指令?
代码(高级编程语言)==好多个指令(代码通过编译成为CPU可以看懂的指令集合)
指令是CPU能识别、执行的最小命令单位

有的指令很人畜无害,比如简单的加减乘除指令
但有的有很大的危害性,比如内存清零指令,需要很高的权限。否则数据会不安全。
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中断与异常

中断机制的诞生:

因为之前的程序需要一个个的顺序执行,急需并发操作来提高CPU的利用率,于是产生了中断。(也可以说,中断为并发提供了可能)

中断的本质:只要发生中断,就意味着需要操作系统介入,开展管理工作

  • 当一个用户态上运行的进程1,时间片耗尽时,CPU收到计时部件发出的中断信号,切换为核心态对中断进行处理。

  • 操作系统收到中断信号以后,发现是该进程的时间片耗尽了,就会让下一个进程—进程2运行。

  • 进程2发出系统调用(内中断信号),请求输出(为了安全,输出输入等需要系统调用切换至核心态中断)。CPU切换为核心态,对中断进行处理。

  • 操作系统分析中断以后,让打印机工作,进程2进行I/O操作,那么进程2暂停,进程3运行

  • 当打印机的I/O操作完成以后,打印机给操作系统发送中断,操作系统就会分析该中断,继续让进程2完成后续作业

中断的概念和作用:

通过以上过程,可以得知:

  • 当中断发生时,CPU立即进入核心态
  • 当中断发生后,当前运行的进程暂停运行,并由操作系统的内核对中断进行处理
  • 对于不同的中断信号,会进行不同的处理

发生了中断,就意味着需要操作系统介入,开展管理工作。
由于操作系统的管理工作,例如:进程切换,分配I/O设备等需要使用到特权指令,因此CPU需要从用户态转换为核心态。
中断可使CPU从用户态切换到核心态,使操作系统获得计算机的控制权。
有了中断,才能实现多道程序并发执行

用户态----》核心态只有通过中断达到
核心态----》用户态通过执行一个特权指令,修改程序状态字PSW的对应标志位。

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