操作系统学习笔记_1 计算机系统的运行和结构

介绍

操作系统是什么？

计算机结构大概分为四层：

• 用户
• 应用程序
• 操作系统
• 硬件

操作系统是一类系统软件，调度硬件资源，合理分配管理软件（因此操作系统又被称作资源管理器（resource manager））。

程序要运行首先要被放到内存中，然后才能被 CPU 处理；运行中的程序叫进程。

双击打开 QQ.exe，对应进程就会被放到内存中；

QQ 正常运行过程中，对应进程被 CPU 处理。

QQ 若想调用摄像头等，操作系统会把相应硬件分配给他。

计算机还会提供用户和硬件之间的接口。主要分为三种：GUI 接口，命令接口，程序接口。

联机/交互式命令接口：用户说一句，系统做一句。（cmd）

脱机/批处理命令接口：用户说一堆，系统做一堆。（.bat）

程序接口：通过程序才能调用。（.dll）

只有硬件的计算机叫裸机；操作系统将硬件资源转换为通用的、强大的虚拟形式，有时操作系统也被称为虚拟机。操作系统提供几百个系统调用（system call）供其他应用程序使用，实现运行程序、访问内存和设备等操作，也可以说操作系统为其他应用程序提供了一个标准库（standard library）。

操作系统几大特征

操作系统围绕以下几大主题展开：

• 虚拟化（virtualize）：尽管一般只有一个 CPU，但是能同时进行多个进程，造成多个 CPU 的假象。多个程序实例同时用到一片内存地址时，却能各运行各的，值互不干扰。实际上每个进程是在访问自己的私有虚拟内存空间（virtual address space)，虚拟内存通过一定的规则映射到物理内存上，运行中的程序的物理内存是完全独立的。
• 并发（concurrency）**不是并行！并行是同时发生，并发是交替发生。**单核计算机就会采用并发的程序运行方式。现在尽管都有四核计算机，可以进行4个程序的并行操作，但是并发仍然很重要。
• 共享：系统中的某些资源供多个进程使用。

​ 互斥型共享就是一次只能一个程序用，如摄像头；

​ 同时型共享就是两个进程交替使用，如 QQ 微信 同时发送文件。

• 异步性：并发执行的程序有时候会卡住。比如 AB 程序都要用同一个地址，A先用了，B用的时候就要等A用完释放才能用。

操作系统历史

手工操作阶段：用户手工打点，给机器。人机协调不均衡，资源分配不均匀。

批处理阶段——单道批处理系统：用户打好的点交给磁带，磁带读入计算机速度快得多（监督程序，早期的操作系统）。但是利用率仍然很低。

批处理阶段——多道批处理系统：每次内存中同时读入多个程序。多个程序并发执行，有了”中断“的概念。但是用户在程序执行的时候没法干涉，人机交互很差。

分时操作系统：计算机以时间片为单位轮流给所有用户提供服务。用户的请求可以被及时响应，解决了人机交互问题；各个用户之间也感受不到其他用户的存在。但是众生平等，没有优先级。

实时操作系统：优先度高的任务可以先被处理，并且必须在给定的时限内完成任务。

OS 运行机制和体系结构

计算机中的指令有的安全（加减乘除运算），有的危险一点（清空内存）。因此需要通过权限控制限制用户能执行的指令。

具体实现方法为：CPU 处于核心态（管态）时可以执行所有指令；处于用户态（目态）时只能执行非特权指令。

内核程序是系统的管理者，可以执行所有指令，运行在核心态；

应用程序只能执行非特权指令，运行在用户态。

操作系统的内核包含橙黄两部分：大内核。

只包含黄色部分：微内核。

各自的缺点：大内核组织结构混乱，难以维护；微内核频发切换，性能低。