操作系统-计算机系统概述（基本概念与功能、操作系统特征，发展分类、运行机制）

文章目录

• 1.操作系统基本概念
• 2.操作系统特征
• 3.操作系统的发展与分类
• 4. 操作系统的运行机制

1.操作系统基本概念

基本概念

1. 操作系统(Operating System，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。

2. 没有任何软件支持的计算机成为裸机。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

3. 通常把覆盖了软件的机器成为扩充机器，又称之为虚拟机
   

功能与目标

1. 资源管理者 ：设备，文件，存储器、处理机(进程线程)管理（各类资源的管理者）操作系统整个就围绕者这些资源的管理设计而展开的.

2. 向上提供服务： 操作系统把一些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。（封装思想）

1. 操作系统实现了对硬件机器拓展（操作系统将CPU、内存、磁盘、显示器、键盘等硬件合理地组织起来，让各种硬件能够相互协调配合，实现更多更复杂的功能）

2.操作系统特征

其中并发与共享是最基本的特征，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。这些事件宏观上是同时发生的，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。）

注意：单CPU同一时刻只能进行一个程序，各程序只能并发不能并行。
eg：4核CPU，意味着可以并行地执行4个程序。

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。

常见的共享方式为

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。

2. 同时共享方式：系统中的某些资源，允许一个时间段内由多个进程交替对它们进行访问。

并发和共享的关系

• 并发性指计算机系统中同时存在着多个运行着的程序。
• 共享性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。

如果失去了并发性，则就不需要共享性了，并发共享是互为条件的。

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（前者）是实际存在的，而逻辑上对应物（后者）是用户感受到的。

虚拟技术分为 1. 空分复用技术（虚拟存储器） 2.时分复用技术（虚拟处理器）

根据上文可知：如果失去并发性，虚拟性就没有存在的意义。

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。

根据上文可知：如果失去了并发性，即系统只能串行地运行各个程序，那么每个程序的执行会一贯到底。只有系统拥有并发性,才有可能导致异步性。

3.操作系统的发展与分类

学习时注意对比优缺点

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。计算机大量时间处于空余状态。

批处理阶段

1. 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

外围机将程序放入到磁带中，计算机读取程序从磁带中读取。

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:内存中仅能有一道程序运行，只有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。

1. 多道批处理系统：操作系统正式出现，每次往内存中读入多道程序。支持多道程序并发运行。

第一个程序输入完成后，输入空闲。第二个程序不需要等到第一个程序运行完毕，就可以继续输入。

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（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的执行

分时操作系统

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，感受不到别人的存在。

主要缺点：无法处理紧急任务，操作系统对各个用户/作业都是完全公平的

实时操作系统

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。

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。

网络操作系统（了解）

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（了解）

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（了解）
如Windows xP、MacOs，方便一人使用。

4. 操作系统的运行机制

内核程序与用户程序

普通程序员写的程序就是“应用程序”

微软、苹果有一帮人负责实现操作系统，他们写的是“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

特权指令与非特权指令

特权指令：
操作系统内核,有时会让CPU执行一些“特权指令”,如:内存清零指令。这些指令影响重大，只允许操作系统内核使用。

内核程序中才允许出现特权指令。

非特权指令

用户程序中只能有非特权指令。

内核态与用户态

CPU为了区分内核程序与用户程序，划分出了内核态与用户态

• 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

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代表用户态。

eg：

1. 计算机开机时，CPU处于内核态，内核程序在CPU上运行。
2. 完成开机启动应用程序，操作系统内核程序在合适的时候主动让出CPU，让该应用程序上CPU运行。
3. 操作系统在让出CPU前会从内核态切换到用户态。应用程序在用户态运行。用户态无法运行特权指令（通过中断停止运行程序）
4. 内核态→用户态:执行一条特权指令―一修改PSw的标志位为“用户态”，这个动作意味着操作系统将主动让出CPU使用权
5. 用户态→内核态:由“中断”引发，硬件自动完成切换状态的过程，触发中断信号意味着操作系统将强行夺回CPU的使用权