操作系统备考学习 day1 (1.1.1-1.3.1)

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年初做了一个c++的webserver 的项目,在学习过程中已经解除部分操作系统的知识,在已接触熟识的部分,可能会有所跳过

计算机系统概述

操作系统的基本概念

操作系统的概念、功能和目标

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操作系统的定义:操作系统(OS)是指控制和管理整个计算机系统的硬件和软件资源,并合理地组织调度计算机的工作和资源的分配;以提供给用户和其他软件方便的接口和环境;它是计算机系统中最基本的系统软件

  1. 操作系统是系统资源的管理者

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补充知识:执行一个程序前需要将该程序放到内存中,才能被CPU处理

封装思想:操作系统吧一些丑陋的硬件功能封装成简单易用的服务,使用户能更方便地使用计算机,用户无需关心底层硬件的原理,只需要对操作系统发出命令即可。

  1. 向上层提供方便易用的服务

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联机命令接口 = 交互式命令接口 如cmd
脱机命令接口 = 批处理命令接口 如.bat文件

程序接口:可以在程序中进行系统调用来使用程序接口。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。

  1. 是最接近硬件的一层软件
    需要实现对硬件机器的拓展
    没有任何软件支持的计算机称为裸机。在裸机上安装的操作系统,可以提供资源管理功能和方便用户的服务功能,将裸机改造成功能更强、使用更方便的机器
    通常把覆盖了软件的机器称为扩充机器,又称之为虚拟机

操作系统的四个特征

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并发

并发:指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。这些事件宏观上是同时发生的,但微观上是交替发生的。
要区别于并行。并行:同一时刻同时进行两个或多个事件

操作系统的并发性指计算机系统中“同时”运行着多个程序,这些程序宏观上看是同时运行着的,而微观上看是交替运行的。
操作系统就是伴随着“多道程序技术”而出现的。因此,操作系统和程序并发是一起诞生的。

(重要考点)
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同一时刻可以同时执行多个程序,多个程序可以并行地执行

共享

共享即资源共享,是指系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程共同使用
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并发和共享互为存在条件

虚拟

虚拟是指吧一个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,而逻辑上对应物是用户感受到的。
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异步

异步是指,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,这就是进程的异步性。

操作系统的发展和分类

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手工操作阶段:主要缺点:用户独占全机、人机速度矛盾导致资源利用率极低。

批处理阶段—单道批处理系统
引入脱机输入/输出技术(用外围机+磁带完成),并由监督程序负责控制作业的输入、输出。

批处理阶段—多道批处理系统
每次往内存中读入多道程序,操作系统正式诞生,用于支持多道程序并发运行
主要优点:多道程序并发执行,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,系统吞吐量增大
主要缺点:用户响应时间长,没有人机交互功能(无法调试程序/无法在程序运行过程中输入一些参数)

分时操作系统
计算机以时间片为单位轮流为各个用户/作业服务,各个用户可通过终端与计算机进行交互
主要优点:用户请求可以被即时响应,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,感觉不到别人的存在。
主要缺点:不能优先处理一些紧急任务。操作系统对各个用户/作业都是完全公平的,循环地为每个用户/作业服务一个时间片,不区分任务的紧急性

实时操作系统:
主要优点: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

在实时操作系统的控制下,计算机系统接收到外部信号后及时进行处理,并且要在严格的时限内处理完事件。实时操作系统的主要特点是及时性和可靠性
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操作系统的运行环境

操作系统的运行机制

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区别内核程序和应用程序
普通程序员写的程序就是“应用程序”
负责实现操作系统的写的就是“内核程序”,由很多内核程序组成了“操作系统内核”,或简称“内核(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

部分指令影响重大,如内存清零指令,仅允许内核来使用
在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有两种状态,“内核态”和“用户态”
处于内核态时,说明此时正在运行的是内核程序,此时可以执行特权指令
处于用户态时,说明此时正在运行的是应用程序,此时只能执行非特权指令

拓展:CPU中有一个寄存器叫程序状态字寄存器(PSW),其中有个二进制位,1表示“内核态”,0表示“用户态”
操作系统内核在让出CPU之前,会用一条特权指令把PSW的标志位设置为“用户态”
CPU检测到中断信号后,会立即变为“核心态”,并停止运行当前的应用程序,转而运行处理中断信号的内核程序
别名:内核态 = 核心态 = 管态;用户态 = 目态

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