操作系统概述

1 操作系统的基本概念

1.1 操作系统的定义

• 计算机系统自下而上可以大致分为4部分：硬件、操作系统、应用程序和用户。

• 是在硬件基础上的第一层软件

• 是其他软件和硬件之间的接口

1.2 操作系统的特征

并发和共享是操作系统两个最基本的特征。

• 并行一定并发，并发不一定并行

• 互斥共享方式

• 同时共享方式

• 时分复用技术：虚拟处理器

• 空分复用技术：虚拟存储器

1.3 操作系统的作用

1.4 推动操作系统发展的主要动力

• 不断提高计算机资源的利用率

• 为用户提供方便

• 硬件的不断更新迭代

• 计算机体系结构的发展

2 操作系统的发展历程

2.1 手工操作阶段

• 联机输入

2.2 批处理阶段

• 脱机输入

• 为了解决人机矛盾以及CPU和I/O设备之间速度不匹配的矛盾。

• 资源利用率高

• 系统吞吐量大

• 平均周转时间长

• 无交互能力（单道、多道都是）

2.3 分时操作系统

2.4 实时操作系统

• 硬实时系统：某个动作必须绝对地在规定的时刻（或规定的时间范围）发生。

• 软实时系统：能够接受偶尔违反时间规定且不会引起任何永久性的损害。

• 多路性：实时系统多路性表现为多路信息的采集和多任务的执行调度。

• 及时性：实时系统对及时性的要求更严格。

• 交互性：实时系统交互性较强。

• 可靠性：实时系统要求更高的可靠性。

2.5 网络操作系统和分布式计算机系统

3 操作系统的运行环境

3.1 处理器的状态

• 管态：操作系统管理程序运行的状态，较高的特权级别，又称为特权态、核心态、系统态。

• 目态：用户程序运行时的状态，较低的特权级别，又称为普通态、用户态。

3.2 中断技术

• 它使得S可以捕获用户程序发出的系统功能调用。

• 及时处理设备的中断请求。

• 防止用户程序中断破坏性的活动。

3.3 中断的概念

• CPU对系统发生的某个事件做出的一种反应。

• CPU暂停正在执行的程序，保留现场后自动转去执行相应事件的处理程序，处理完成后返回断点，继续执行被打断的程序。

• 引入中断的目的
• 解决主机与外设的并行工作问题
• 实现实时控制

• 特点
• 中断是随机的
• 中断是可恢复的
• 中断是自动处理的

3.4 中断的分类

• 中断，也称为外中断，是指来自CPU执行指令外部的时间中断。
• 可屏蔽中断INTR
• 不可屏蔽中断NMI

• 异常，也称为内中断，是指来自CPU执行指令内部的事件。
• 软件中断
• 故障
• 自陷
• 硬件中断
• 终止

4 进程与线程

4.1 进程控制块及其作用

• 是一个在多道程序环境下不能独立运行的程序（含数据），成为一个能独立运行的基本单位，一个能与其它进程并发执行的进程。或者说，OS是根据PCH来对并发执行的进程进行控制和管理的。

• PCB是进程存在与否的唯一标志，随着进程的建立而建立，随着进程的撤销而撤销。创建进程就是创建PCB。

4.2 进程及其特征

• 动态性：进程是动态的基本单元。

• 并发性：引入进程的目的是为了使进程实体能和其他进程实体并发执行。

• 独立性

• 异步性

• 程序是永存的；进程是暂时的，是程序在数据集上的一次执行，有创建有撤销，存在是暂时的。

• 程序是静态的观念，进程是动态的观念。

• 进程具有并发性，而程序没有。

• 进程是竞争计算机资源的基本单位，程序不是。

• 进程和程序不是一一对应的；一个程序可对应多个进程即多个进程可执行同一程序；一个进程可以执行一个或几个程序。

4.3 进程的状态与转换

• 运行（running）态：进程占有处理器正在运行的状态。进程已获得CPU，其程序正在执行。在单处理机系统中，只有一个进程处于执行状态； 在多处理机系统中，则有多个进程处于执行状态。

• 就绪（ready）态：进程具备运行条件，等待系统分配处理器以便运行的状态。当进程已分配到除CPU以外的所有必要资源后，只要再获得CPU，便可立即执行，进程这时的状态称为就绪状态。在一个系统中处于就绪状态的进程可能有多个，通常将它们排成一个队列，称为就绪队列。

• 等待（wait）态：又称阻塞态或睡眠态，指进程不具备运行条件，正在等待某个时间完成的状态。也称为等待或睡眠状态，一个进程正在等待某一事件发生（例如请求I/O而等待I/O完成等）而暂时停止运行，这时即使把处理机分配给进程也无法运行，故称该进程处于阻塞状态。

5 程序的运行

5.1 程序状态字

5.2 程序顺序执行的特征

• 顺序性：严格按照程序锁规定的次序执行。

• 封闭性：程序在封闭环境下运行，系统中所有资源的状态不会因本程序外的程序而改变。

• 可再现性：只要初始条件相同，无论怎样执行，其结果都是相同的。

5.3 程序并发执行的特征

• 间断性：并发执行的实体之间相互制约，导致程序的执行出现间断，而不连续。

• 非封闭性：多个程序共享系统资源，因而其状态有多个程序改变，从而失去封闭性。

• 不可再现性：封闭性的丧失必然导致不可再现性。