操作系统概念:
1. 总述
2. 进程管理
3. 内存管理
4. 文件管理
5. IO管理
数据结构是内功在所有计算机软件中都会涉及,组成原理研究一台计算机怎么组织工作,操作系统研究怎么分配资源,计算机网络研究计算机间的信息交换。
用于完成系统资源管理的系统软件
1. 操作系统总述
1.1 OS是什么
1.1.1 OS发展历程
a. 未配置OS的计算机系统
人工操作方式
脱机输入/输出方式
b. 单道批处理系统(单用户单任务)
系统对作业的处理成批进行,内存中始终保持一道作业
缺点:
高速cpu等待低速IO设备
c. 多道批处理系统(多用户多任务)
多道批处理系统特点
涉及问题
- 处理机分配
- 内存分配
- 设备分配
- 程序、数据的组织与存储
d. 分时系统(多用户多任务)
e. 实时系统
收到什么请求处理什么
- 硬实时系统:绝对实时
- 软实时系统:相对实时,允许偶尔延迟
抢占式实时系统:优先级的进程高优先
f. 网络操作系统
由计算机网络实现网络中各类资源的共享与通信
服务于计算机网络,集中控制
g. 分布式计算机系统
系统中若干计算机完成同一任务
建立在网络系统上,分布控制
1.1.2 OS功能(做什么)
a. 提供计算机与用户之间的接口
命令接口
联机命令接口(命令行)
用户在控制台或终端输入命令,向系统请求服务
将控制权交给OS的命令解释程序,解释并执行当前指令
脱机命令接口
用作业控制命令写成一份操作说明书,连同作业一起提交给系统
- 适用于批处理命令接口
程序接口(GUI)
b. 系统资源的管理者
合理组织、调度计算机工作和资源分配
处理机管理(多道程序环境)
- 进程控制
- 进程同步
- 进程通信
- 进程调度
存储器管理
- 内存分配
- 内存保护
- 地址映射
- 内存扩充
文件管理
设备管理
- 缓冲管理
- 设备分配
- 设备处理
c. 用作扩充机器
将覆盖了软件的机器称为扩充机器或虚拟机
实现了对系统硬件资源的抽象
1.1.3 特性
多道程序设计
工作过程:
特点:
- 间断性
- 无序性
- 共享性
- 制约性
1.2 体系结构
1.2.1 基本概念
a. 内核
时钟管理
- 提供标准系统时间
- 分时系统中的时间片管理需要时钟管理为前提
中断机制
只有一小部分属于内核,PC与PSW由中断隐指令(硬件)完成
- 保护和恢复中断现场(通用寄存器中的值)
- 将控制权转移给相关的处理程序
原语
处于OS底层,最接近硬件
具有原子性
运行时间短,调用频繁
系统控制的数据结构及处理
用于登记各数据结构的状态信息
- 作业控制块
- 进程控制块
- 设备控制块
- 各种链路、队列、缓冲区、表
b. 程序分类
- 应用程序:完成某种特定功能自编的程序
- 内核程序:实现操作系统的程序,组成OS内核
c. 特权指令
如:
- IO指令
- 置中断指令
- 存取用于内存保护的指令
- PSW置数指令
d. 两种状态
内核态(管态,核心态)
cpu此时运行的是内核程序
用户态(目态)
cpu此时运行的是应用程序
不可执行特权指令
内核态->用户态
用户态->内核态
中断是OS内核重新获得cpu控制权的唯一途径
如:访管指令产生访管中断
由中断引发,硬件自动完成变态过程
OS重新拿回控制权
e.系统调用
系统中各类共享资源都由OS内核同一管理。凡是与共享资源有关的操作,都必须通过系统调用的方式向OS提出服务请求,由OS代为完成。
系统调用与库函数
普通程序 | 可直接进行系统调用,也可使用库函数,有的库函数会涉及系统调用,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,隐藏系统调用的一些细节 |
操作系统 | 向上提供系统调用,使得上层程序能请求内核服务 |
系统调用过程
系统调用可以理解为一种中断服务程序
1.2.2 微内核
具有微内核结构的OS,实际上是将时钟管理、中断处理、原语作为微内核,加上上层的处理机管理、存储器管理、文件管理、设备管理形成大内核
若采用微内核结构,cpu需要频繁地在内核态与用户态切换,造成较大开销
1.3 运行机制
1.3.1 启动过程
-
基本输入输出系统(BIOS)常驻内存ROM区
固化在主板
-
BIOS将Bootloader从硬盘加载到内存
-
cpu运行引导加载程序(Bootloader)
Bootloader完成一系列功能,将OS程序从磁盘加载到内存的RAM区
-
系统运行OS内核程序
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