操作系统学习笔记：第1章 计算机系统概述
[学习笔记，不定期更新，欢迎讨论。。。]
目录
第1章 计算机系统概述
1.1_1_操作系统的概念、功能和目标
操作系统的概念
操作系统的功能和目标
1.1_2_操作系统的特征
1.1_3_操作系统的发展与分类
1.1_4_操作系统的运行机制与体系结构
1.1_5_中断和异常
1.1_6_系统调用
习题
第1章 计算机系统概述
1.1_1_操作系统的概念、功能和目标
大家都熟悉的操作系统：windows,android, ios, macos, linux，建议基于生活经验理解和记忆这门课程的内容。
计算机系统的层次结构：裸机->操作系统 -> 应用程序（软件）->用户（用户有时也可直接对操作系统进行操作）
操作系统的概念
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。
操作系统的功能和目标
——作为系统资源的管理者（自上往下看）
功能：文件管理、存储器管理、处理机管理、设备管理（例：QQ和朋友聊天的过程）
目标：安全、高效
——作为用户和计算机硬件之间的接口（自下往上看）
功能：命令接口、程序接口、GUI（三者统称为用户接口）
目标：方便用户使用
注释：
命令接口：允许用户直接使用；
联机命令接口：用户说一句，系统做一句；（例：cmd）
脱机/批处理命令接口：用户说一堆，系统做一堆；（例：.bat文件，双击执行）
程序接口：允许用户通过程序间接使用
由一组系统调用组成（例：.dll，只能通过程序间接使用）
程序接口=系统调用=广义指令
GUI：现代操作系统中最流行的图形用户接口
不需要记忆复杂的命令和参数
——作为最接近硬件的层次
功能和目标：实现对硬件机器的扩展（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，可以提供资源管理的功能和方便用户服务的功能，
讲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）
1.1_2_操作系统的特征
四个特征：并发、共享、虚拟、异步
并发、共享是两个最基本的特征，二者互为存在条件。
——并发：
指两个或多个事件在同一时间间隔内发生，这些事件宏观上式同时发生的，但微观上是交替发生的。——并行：指两个或多个事件在同一时刻同时发生
并发 vs 并行（eg：朋友约会）
操作系统的并发性指的是计算机系统中同时存在着多个运行着的程序。
一个单核处理机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，但宏观上看起来就像在同时执行）
事实上，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。
4核处理器中，操作系统的并发性依然必不可少，当代人使用计算机绝对有4个以上的程序需要同时工作。
——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。
两种资源共享方式：
互斥共享：系统中的某些资源，虽然可以提供给多个进程使用，但一个时间内只允许一个进程访问该资源。ex：QQ和微信视频，同一时间段内摄像头只能分配给其中一个进程。
同时共享：系统中的某些资源，允许一个时间段内由多个进程“同时”对它们进行访问。（同时是宏观上的，微观可能交替，即分时共享）。ex：QQ发送文件A，微信发送文件B，宏观上看，两边都在同时读取并发送文件，两个进程都在访问硬盘资源，微观上......交替.......
ex：微观也并行可能的：同时玩游戏+听QQ音乐，扬声器的使用
——并发和共享的关系
互为存在条件，见开篇
——虚拟
是指把物理上的实体变为若干逻辑上的对应物。物理实体（前者）是实际存在的，而逻辑上对应物（后者）是用户感受到的。
ex1：一个程序需要放入内存并给它分配CPU才能执行。虚拟存储器技术（虚拟技术中的“空间复用技术”），实际只有4GB的内存，在用户看起来似乎远远大于4GB：GTA 4GB，QQ 256MB，迅雷 256MB，网易云音乐 256MB......
ex2："时分复用技术"：某个单核CPU的计算机中，用户打开了以下软件：1,2,3,4......
——异步
是指多道程序环境下，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。显然，如果失去了并发性，则系统只能串行地处理各个进程，每个进程只能串行地处理各个进程，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。
重点：
并发和并行的区别
并发和共享互为存在条件
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
1.1_3_操作系统的发展与分类
学习提示：
重点理解各阶段的优点和缺点。各阶段的主要优点都是解决了上一阶段的主要缺点。
手工操作阶段（人[超慢]->纸带机[慢] -> 处理器[快] -> 纸带机->人）
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（无操作系统）
批处理阶段——单道批处理系统（人1，人2,...->纸带机->磁带机->处理器->磁带机->...）
引入脱机输入/输出技术（用磁带完成），并监督程序（操作系统的雏形）负责控制作业的输入、输出
主要优点：缓解了一定程度的人机速度矛盾，资源利用率有所提升。
主要缺点：内存中仅有一道程序运行，只有去该程序运行结束之后才能调入下一道程序。CPU有大量的时间是在空闲等待I/O完成。资源利用率依然很低。
批处理阶段——多道批处理系统（...->磁带机->处理器...）
计算机每次往内存中输入多道程序（从磁带），操作系统正式诞生，并引入了中断技术，由操作系统负责管理这些程序的运行。各个程序并发执行。
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（用户提交自己的作业之后就只能等待计算机处理完成，中间不能控制自己的作业执行）
Ex：为何多道批处理系统能使资源利用率大幅提升？（单道，多道对比，类似流水线）
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，解决了人接交互问题。允许多个用户同时使用一台计算机，并且对计算机的操作相互独立，感受不到别人的存在。
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，并且要严格的时限内处理完成事件。实时操作系统的主要优点是及时性和可靠性。
分类：硬实时系统：必须在绝对严格的规定时间内完成处理
（Ex：导弹控制系统，自动驾驶系统）
软实时系统：能接受偶尔违反时间规定（Ex：12306火车订票系统）
其他几种操作系统（简单了解一下）
网络操作系统：是伴随着计算机网络的发展而诞生的，能把网络中各个计算机有机地结合起来，实现数据传送等功能，实现网络中各种资源的共享（如文件共享）和各台计算机之间的通信。（如：Windows NT就是一种典型的网络操作系统，网站服务器就可以使用）
分布式操作系统：主要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：如Windows XP、MacOS，方便个人使用。
1.1_4_操作系统的运行机制与体系结构
两种指令、两种处理器状态、两种程序
预备知识：什么是指令
问题：“指令”和我们平时所说的“代码”有什么区别？
简单来说，“指令”就是处理器（CPU）能识别、执行的最基本命令（一条高级语言的代码翻译过来可能对应多条指令，Ex：“C语言”翻译成“机器语言指令”）
新的问题：有的指令“人畜无害”。比如：加、减、乘、除 这些普通的运算指令。有的指令有很高的权限。比如：内存清零指令，...危险...，所以：
指令分为：非特权指令（加减乘除...）、特权指令（内存清零...）
问题：CPU如何判断当前是否可以执行特权指令？
两种处理器状态：用户态（目态）：此时CPU只能执行非特权指令
核心态（管态）：特权指令、非特权指令都可以执行
（用程序状态字寄存器（PSW）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）
两种程序：内核程序：操作系统的内核程序是系统的管理者，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。
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。
操作系统内核
问题：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。
操作内核包含：（与硬件关联较紧密的模块）
时钟管理（实现计时功能）
中断处理（负责实现中断机制）
原语（是一种特殊的程序
处于操作系统最底层，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）
（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）
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
操作系统体系结构：大内核（上面各种各样的都包含）
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
微内核（只包含一些最基本的、必不可少的功能）
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，性能低
Ex：企业管理问题（内核[管理层]：执行特权指令，
普通员工：执行非特权指令，...）
1.1_5_中断和异常
中断机制的诞生
为了解决资源利用率低的问题，人们发明了操作系统（作为计算机的管理者），引入中断机制，实现了多道程序并发执行
本质：发生中断就意味着需要操作系统介入，开展管理工作
Ex：多道任务中的一个任务执行一段时间->
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->
操作系统内核负责对中断信号处理：进程1的时间片已经用完，换进程2运行，切换为用户态->
可能一段时间，进程2发出系统调用（内中断信号），请求输出。CPU切换为核心态，对中断进行处理。
操作系统对中断信号进行处理，核心态->
打印机开始工作，进程2暂停运行等待I/O完成，换进程3运行，切换为用户态->
然后，I/O和进程3并行执行，I/O完成，设备向CPU发出中断信号->
切换为核心态，操作系统对中断进行处理，进程2的I/O操作完成，让进程2恢复运行，以完成后续工作
......
通过上面Ex可得：
中断的概念和作用（*）
1.当中断发生时，CPU立即进入核心态
2.当中断发生后，当前运行的进程暂停运行，并有操作系统内核对中断进行处理
3.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I/O设备等）需要使用特权指令，因此CPU要从用户态转为核心态。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。
遗留问题：用户态、核心态之间的切换是怎么实现的？
答：“用户态->核心态”是通过中断实现的。并且中断是唯一途径；“核心态->用户态”的切换是通过执行一个特权指令，将程序状态字（PSW）的标志位设置为“用户态”。
中断的分类（*）
内中断（也成为异常、例外、陷入）
信号的来源：CPU内部，与当前执行的指令有关
分类1：自愿中断——指令中断，如：系统调用时使用的访管指令（又叫陷入指令、trap指令）
强迫中断：硬件故障，如缺页；软件中断，如整数除0
分类2：陷阱、陷入（trap）：有意而为之的异常，如系统调用
故障：由错误条件引起的，可能被故障处理程序修复，如缺页
终止：不可恢复的致命错误造成的结果，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
外中断（中断，狭义的中断）
信号的来源：CPU外部，与当前执行的指令无关令
分类：外设请求，如：I/O操作完成发出的中断信号
人工干预，如：用户强行终止一个进程
外中断的处理过程
用户程序（用户态）->
Step1：执行完每个指令之后CPU都要检查当前是否有外部中断信号（比如用户通过键盘
输入了一个字符）
Step2：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（如程序状态字
PSW，程序计数器、各种通用寄存器）
Step3：根据中断信号类型转入相应的中断处理程序（核心态）
Step4：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（用户态）
1.1_6_系统调用
什么是系统调用，有何作用？
知识点回顾：
操作系统作为用户和计算机硬件之间的接口，需要向上提供一些简单易用的服务，主要包括命令接口和程序接口。其中，程序接口由一组系统调用组成......（参考：1.1_1_操作系统的概念、功能和目标）
“系统调用”是操作系统提供给应用程序（程序员/编程人员）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。
问题：操作系统为什么要提供“系统调用”功能？
生活场景：学习打印店打印论文，几个同学同时打印...
解决方法：操作系统提供“系统调用”功能，用户进行想要使用打印机这种共享资源，只能通过系统调用向操作系统发出请求。操作系统会对各个请求进行协调管理。
作用：应用程序通过系统调用请求操作系统的服务。系统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、I/O操作、文件管理等），都必须通过系统调用的方式向操作系统发出服务请求，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。（系统调用会使处理器从用户态进入核心态*）
分类（按照功能分类）：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）
系统调用相关处理设计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。
系统调用与库函数的区别（*）
普通程序 可直接进行进行系统调用，也可使用库函数，有的库函数涉及系统调用，有的不涉及 编程语言 向上提供库函数。有时会将系统调用封装成库函数，以隐藏系统调用的一些细节，使上层进行系统调用更加方便。 操作系统 向上提供系统调用（注：系统调用的相关处理在核心态进行） 裸机 不涉及系统调用的库函数：如“取绝对值”的函数
涉及系统调用的库函数：如“创建一个新文件”的函数
系统调用背后的过程
传入系统调用参数->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
注意：1.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。
2.发出系统调用请求是在用户态，而对系统调用的相应处理在核心态下进行。
3.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。
习题
1.1.4 本节习题精选
一、单项选择题
1-5 CDDDB, 6-10 CBBCA, 11-15 AA(B->D)CD, 16-18 DAD
二、综合应用题
1 见上
1.2.7 本节习题精选
一、单项选择题
1-5 DDCBB, 6-10 CBD(C?)B, 11-15 CBBAD, 16 C
二、综合应用题
1 见上
2 1) [(10 + 5 + 10) + (10 + 5)] / [(10 + 5 + 5 + 10 + 10) + (10 + 10 + 5 + 5 + 10)] = 40/80
= 50%
2) A: 10C, 5甲, 5C, 10乙, 10C (甘特图？见答案解析)
B: 10甲, 10C, 5乙, 5C, 10乙
(10+10+5+5+10) / 45 = 88.9%
3 C50A P100A C50A P100A
C50B,I80B C100B
1) 有；100-150ms；250 / (50+100+50+100）= 83.3%
2) 无
3) 有；0-50ms, 189-200ms
1.3.4 本节习题精选
一、单项选择题
1-5 (A?)(C?)C(B->C)D, 6-10 D(C->A)C(D->A)B, 11-15AC(D->C)DD, 16-20 BA(C?)BB, 21-25 D(A?->B)C(D->A)C,
26-29 DC(D->B)B
二、综合应用题
1.见上
2.见上
1.6.3 本节习题精选
一、单项选择题
1-5 (C->A)(D->C)(D->C)(C?->B)(C?), 6-10 C(D?->C)(C?)(C->D)(B?->C),
11-13 (B?->A)(C->A)B
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