计算机系统概述

操作系统的基本概念

操作系统的概念、功能和目标

在这里插入图片描述
操作系统的定义:操作系统(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。

操作系统是系统资源的管理者

在这里插入图片描述
补充知识:执行一个程序前需要将该程序放到内存中，才能被CPU处理

封装思想:操作系统吧一些丑陋的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。

向上层提供方便易用的服务

在这里插入图片描述

联机命令接口 = 交互式命令接口如cmd
脱机命令接口 = 批处理命令接口如.bat文件

程序接口:可以在程序中进行系统调用来使用程序接口。普通用户不能直接使用程序接口，只能通过程序代码间接使用。

是最接近硬件的一层软件
需要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
通常把覆盖了软件的机器称为扩充机器，又称之为虚拟机

操作系统的四个特征

在这里插入图片描述

并发

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。
要区别于并行。并行：同一时刻同时进行两个或多个事件

操作系统的并发性指计算机系统中“同时”运行着多个程序，这些程序宏观上看是同时运行着的，而微观上看是交替运行的。
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。

（重要考点）
单核CPU同一时刻只能执行一个程序，各个程序只能并发地执行
多核CPU同一时刻可以同时执行多个程序，多个程序可以并行地执行

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
在这里插入图片描述

并发和共享互为存在条件

虚拟

虚拟是指吧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受到的。
在这里插入图片描述

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。

操作系统的发展和分类

在这里插入图片描述
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。

批处理阶段—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。

批处理阶段—多道批处理系统：
每次往内存中读入多道程序，操作系统正式诞生，用于支持多道程序并发运行
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（无法调试程序/无法在程序运行过程中输入一些参数）

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，感觉不到别人的存在。
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片排队

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。
在这里插入图片描述

操作系统的运行环境

操作系统的运行机制

在这里插入图片描述
区别内核程序和应用程序
普通程序员写的程序就是“应用程序”
负责实现操作系统的写的就是“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

部分指令影响重大，如内存清零指令，仅允许内核来使用
在CPU设计和生产的时候就划分了特权指令和非特权指令，因此CPU执行一条指令前就能判断出其类型

CPU有两种状态，“内核态”和“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

拓展：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表示“用户态”
操作系统内核在让出CPU之前，会用一条特权指令把PSW的标志位设置为“用户态”
CPU检测到中断信号后，会立即变为“核心态”，并停止运行当前的应用程序，转而运行处理中断信号的内核程序
别名：内核态 = 核心态 = 管态；用户态 = 目态

在这里插入图片描述