小朋友能听懂的操作系统详解
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文章目录
- 一 **、操作系统概述**
- 二、操作系统的功能和目标 -- 作为系统资源的管理者
- ① 操作系统作为系统资源的管理者(这些资源包括软件、硬件、文件等),需要提供什么功能?
- ② 操作系统作为用户与计算机硬件之间的接口,要为其上层的用户、应用程序提供简单易用的服务,需要实现什么功能?
- ③ 操作系统作为最接近硬件的层次,需要在纯硬件的基础上实现什么功能?
- 三、操作系统的特征
- 1、并发
- 2、并行
- 3、共享
- 4、虚拟
- 5、异步
- 6、总结
- 四、操作系统的发展和分类
- 1、手工操作阶段
- 2、批处理阶段
- 3、分时操作系统
- 4、实时操作系统
- 5、网络操作系统
- 6、分布式操作系统
- 7、个人计算机操作系统
- 五、操作系统的运行机制和体系结构
- 1、什么是指令
- 2、两种指令、两种处理器状态、两种程序
- 3、操作系统中的哪些功能应该由内核程序实现呢?
- 4、操作系统的体系结构可以分为大内核和微内核。
- 六、中断和异常
- 1、中断的概念和作用
- 2、中断的分类
- 3、外中断的处理过程
- 七、系统调用
- 1、什么是系统调用
- 2、系统调用作用
- 3、系统调用的分类
- 4、系统调用的过程简介
二、操作系统的功能和目标 – 作为系统资源的管理者
① 操作系统作为系统资源的管理者(这些资源包括软件、硬件、文件等),需要提供什么功能?
② 操作系统作为用户与计算机硬件之间的接口,要为其上层的用户、应用程序提供简单易用的服务,需要实现什么功能?
③ 操作系统作为最接近硬件的层次,需要在纯硬件的基础上实现什么功能?
三、操作系统的特征
1、并发
2、并行
3、共享
4、虚拟
5、异步
6、总结
四、操作系统的发展和分类
1、手工操作阶段
2、批处理阶段
3、分时操作系统
4、实时操作系统
5、网络操作系统
6、分布式操作系统
7、个人计算机操作系统
五、操作系统的运行机制和体系结构
1、什么是指令
2、两种指令、两种处理器状态、两种程序
3、操作系统中的哪些功能应该由内核程序实现呢?
4、操作系统的体系结构可以分为大内核和微内核。
六、中断和异常
1、中断的概念和作用
2、中断的分类
3、外中断的处理过程
七、系统调用
1、什么是系统调用
2、系统调用作用
3、系统调用的分类
4、系统调用的过程简介
一 、操作系统概述
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,以提供给用户和其它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。
二、操作系统的功能和目标 – 作为系统资源的管理者
进程是一个程序的执行过程,执行前需要将该程序放到内存中,才能被CPU处理。
① 操作系统作为系统资源的管理者(这些资源包括软件、硬件、文件等),需要提供什么功能?
作为系统资源的管理者
(1)提供的功能
- 处理机管理
- 存储器管理
- 文件管理
- 设备管理
(2)目标
- 安全
- 高效
用微信和朋友视频聊天的过程:
② 操作系统作为用户与计算机硬件之间的接口,要为其上层的用户、应用程序提供简单易用的服务,需要实现什么功能?
作为计用户和计算机硬件之间的接口
(1)提供的功能
- 命令接口(联机命令接口、脱机命令接口)
- 程序接口
- GUI图形用户界面
(2)目标,方便用户使用
命令接口:允许用户直接使用
程序接口:允许用户通过程序间接使用
GUI:现代操作系统中最流行的图形用户接口
1、命令接口
联机命令接口 = 交互式命令接口
大概的意思就是你说一句,系统做一句。
比如cmd命令:
脱机命令接口 = 批处理命令接口
2、程序接口
比如C:\Windows\System32\user32.dll l程序员在程序中调用user32.dll(该调用即为系统调用)即可实现创建窗口等功能。只能通过用户程序间接使用。
3、GUI图形用户界面
用户可以使用形象的图形化界面进行操作,而不再需要使用复杂的命令或参数了。
③ 操作系统作为最接近硬件的层次,需要在纯硬件的基础上实现什么功能?
需要提供的功能和目标: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,又称为虚拟机。
三、操作系统的特征
1、并发
指多个事件在同一事件间隔内交替发生。
2、并行
指多个事件在同一时刻同时发生。
一个单核处理机CPU同一时刻只能执行一个程序,因此操作系统会负责协调多个程序交替执行(这些程序微观上是交替执行的,但是宏观上看起来就像同时执行)
当今的计算机,一般都是多核CPU,比如我现在用的联想小新Pro16的CPU就是I5 11300H,它是一个四核CPU,这意味着同一时刻可以有4个程序并行执行,但是操作系统的并发性依然必不可少。因为电脑可能开着十几个应用程序,比如微信、谷歌、腾讯、酷狗音乐、Excel等等,都是需要同时工作的,而且电脑运行时,电脑系统自带的程序,也数不胜数。
3、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。
两种资源共享的方式:
(1)互斥共享方式
系统中的某些资源,虽然可以提供给多个进程使用,但一个时间段内只允许一个进程访问该资源。
如对摄像头设备的共享使用。
(2)同时共享方式
系统中的某些资源,允许一个时间段内有多个进程"同时"对它们进行访问。
所谓的"同时"往往是宏观的,而从微观上讲,这些进程可能是交替地对该资源进行访问的,即分时共享。
如对硬盘资源的共享使用。
4、虚拟
虚拟是指把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知到的。
用一个例子来理解:
众所周知,一个程序需要放入内存并给它分配CPU才能执行。
GTA5游戏需要4GB的运行内存,QQ需要256MB的内存,迅雷需要250MB的内存,网易云音乐需要256MB的内存…
我的电脑4GB。
问题:这些程序同时运行需要的内存远远大于4GB,那么为什么它们还可以在我的电脑上同时运行呢?
答:这是虚拟存储器技术。实际只有4GB的内存,在用户看来似乎远远大于4GB。这应用了虚拟机技术中的"空分复用技术"。微观上处理机在各个微笑的时间段内交替为各个进程服务。
5、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,进程的执行不是一管到底的,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。
如果失去了并发性,则系统只能串行的处理各个进程,每个进程的执行会一贯到底,只有系统拥有并发性,才有可能导致异步性。
6、总结
如果没有并发和共享,就谈不上虚拟和异步,因此并发和共享是操作系统的两个最基本的特征。
四、操作系统的发展和分类
1、手工操作阶段
缺点:人机速度矛盾
2、批处理阶段
(1)单道批处理系统(引入脱机输入输出技术)
优点:缓解人机速度矛盾
缺点:资源利用率较低
(2)多道批处理系统(操作系统开始出现)
优点:多道程序并发执行,资源利用率高
缺点:不提供人机交互功能
3、分时操作系统
优点:提供人机交互功能
缺点:不能有限处理紧急任务
4、实时操作系统
(1)硬实时系统
必须在绝对严格的规定时间内完成处理
(2)软实时系统
能接受偶尔违反时间规定
(3)优点:能优先处理紧急任务
5、网络操作系统
6、分布式操作系统
7、个人计算机操作系统
五、操作系统的运行机制和体系结构
1、什么是指令
简单来说,指令就是处理器CPU能识别、执行的最基本命令,比如:加法指令就是让CPU进行加法运算。
2、两种指令、两种处理器状态、两种程序
(1)两种指令
① 特权指令
如内存清零指令,不允许用户程序使用
② 非特权指令
如普通的运算指令
(2)两种处理器状态
① 用户态
此时CPU只能执行非特权指令
② 核心态
特权指令、非特权指令都可以执行
用程序状态字寄存器中的某标志位来标识当前处理器处于什么状态。如0为用户态,1为核心态。
(3)两种程序
① 内核程序
操作系统的内核程序时系统的管理者,既可以执行特权指令,也可以执行非特权指令,运行在核心态。
② 应用程序
为了保证系统能安全运行,普通应用程序只能执行非特权指令,运行在用户态。
3、操作系统中的哪些功能应该由内核程序实现呢?
内核是计算机上配置的底层软件,是操作系统最基本、最核心的部分。
实现操作系统内核功能的那些程序就是内核程序。
(1)与硬件关联较紧密的模块
① 时钟管理
实现计时功能
② 中断处理
负责实现中断功能
③ 原语
是一种特殊的程序
出于操作系统最底层,是最接近硬件的部分
这种程序的运行具有原子性,其运行只能一气呵成,不可中断
运行时间较短、调用频繁
(2)对系统资源进行管理的功能
- 进程管理
- 存储器管理
- 设备管理
有的操作系统不把这部分功能归为"内核功能",也就是说,不同的操作系统,对内核功能的划分可能并不一样。
4、操作系统的体系结构可以分为大内核和微内核。
(1)大内核:
- 将操作系统的主要功能模块都作为系统内核,运行在核心态
- 优点:高性能
- 缺点:内核代码庞大,结构混乱,难以维护
(2)微内核:
- 只把最基本的功能保留在内核。
- 优点:内核功能少,结构清晰,方便维护
- 缺点:需要频繁地在核心态和用户态之间切换,性能
六、中断和异常
1、中断的概念和作用
- 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(比如进程切换、分配IO设备等)需要使用特权指令,因此CPU要从用户态切为核心态。中断可以使CPU从用户态切换为核心态,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。
用户态和核心态的切换是通过中断实现的,并且中断是唯一途径。
2、中断的分类
(1)内中断
信号来源:CPU内部
① 陷阱
有意而为之的异常,如系统调用
② 故障
由错误条件引起的,可能被故障处理程序修复,如缺页。
③ 终止
不可恢复的错误造成的结果,终止处理程序不再将控制返回给引发终止的应用程序,如整数除0。
(2)外中断
信号来源:CPU外部
① IO中断请求
② 人工干预
3、外中断的处理过程
执行完每个指令后,CPU都要检查当前是否有外部中断信号
如果检测到外部中断信号,则需要保护被中断进程的CPU环境(如程序状态子PSW、程序计数器PC、各种通用寄存器)
根据中断信号类型转入相应的中断处理程序
恢复原进程的CPU环境并退出中断,返回原进程继续往下执行
七、系统调用
1、什么是系统调用
系统调用是操作系统提供给应用程序使用的接口,可以理解为一种可供应用程序调用的特殊函数,应用程序可以发出系统调用请求来获得操作系统的服务。
2、系统调用作用
应用程序通过系统调用请求操作系统的服务,服务中的各种共享资源都由操作系统统一掌管,因此在用户程序中,凡是与资源有关的操作(如存储分配、IO操作、文件管理等),都必须通过系统调用的方式向操作系统提出服务请求,由操作系统代为完成。这样可以保证系统的稳定性和安全性,防止用户进行非法操作。
3、系统调用的分类
- 设备管理(完成设备的请求、释放、启动等功能)
- 文件管理(完成文件的读写、创建、删除等功能)
- 进程控制(完成进程的创建、撤销、阻塞、唤醒等功能)
- 进程通信(完成进程之间的消息传递、信号传递等功能)
- 内存管理(完成内存的分配、回收等功能)
系统调用相关处理涉及到对系统资源的管理,对进程的控制,这些功能需要执行一些特权指令才能完成,因此系统调用的相关处理需要在核心态下进行。
4、系统调用的过程简介
传递系统调用参数 -> 执行陷入指令(用户态) -> 执行系统调用相应服务程序(核心态) -> 返回用户程序。
小总结:
- 陷入指令是在用户态执行的,执行陷入指令之后立即引发一个内中断,从而CPU进入核心态
- 发出系统调用请求的是用户态,而对系统调用的相应处理在核心态下进行
- 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
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