操作系统 - 导论

2019/12/09 Computer

本文叙述了操作系统的基本概念、目标、作用即设计方法等…

目录

基本概念

  • 指令:控制计算机执行某种操作的命令。

  • 特权指令:具有特殊权限,只用于操作系统或其他系统软件,普通用户不能直接使用的命令。

  • 非特权指令:除了特权指令之外的指令。

  • CPU 运行模式:

    • 内核态,又称核心态、系统态、管态。
    • 用户态,又称目态。

    CPU work mode

系统初启一般过程

  1. 硬件检测

  2. 加载引导程序

  3. 初始化内核

  4. 实现用户登录

什么是操作系统

操作系统是控制和管理计算机系统内各种硬件和软件资源、有效地组织多道程序运行的系统软件(或程序集合),是用户与计算机之间的接口。

从抽象的观点看操作系统

操作系统是层层抽象叠加而成的拓展机器

在硬件层面上进行抽象,抽象出硬件层,隐藏了底层硬件的特性。
在此基础上再进行抽象,抽象出内核层。
在内核层上再进行抽象,抽象出系统调用层。

Linux Architecture

裸机之上覆盖各种软件,从而形成功能更强的机器称为扩展机器虚拟机。因此,以上每一层都可以称之为虚拟机。

操作系统的目标

目标:

  • 高效:吞吐量大

  • 方便:用户操作方便,程序员调用方便

  • 安全:对资源进行权限控制

  • 健壮:在出现错误、突发故障、遭受攻击时不死机或崩溃

  • 可移植:可在不同硬件平台自由移植

操作系统的地位

操作系统的层次关系

操作系统的特征

特征:

  • 并发性:程序并发执行

  • 共享性:资源共享使用

  • 异步性:执行过程不定

  • 抽象性:资源高度抽象

操作系统的服务

  • 服务项目:程序执行、I/O 操作、文件系统管理、出错检测、通信、资源分配、统计、保护

  • 服务方式:系统调用和系统程序,通常系统程序也仅仅只是使用系统调用的程序罢了。

    系统调用可分为五个类别:进程控制、文件管理、设备管理、信息维护和通信。

    最重要的系统程序是命令解释程序,即 Shell。

操作系统的主要功能

  1. 存储管理

    • 内存分配
    • 地址映射
    • 内存保护
    • 内存扩充 - 虚拟存储技术
  2. 进程和处理机管理

    • 作业和进程调度
    • 进程控制
    • 进程通信
  3. 文件管理

    • 文件存储空间的管理
    • 文件操作的一般管理
    • 目录管理
    • 文件的读写管理和存取控制
  4. 设备管理

    • 缓冲区管理 - 三级缓冲区管理
    • 设备分配 - 用户的设备分配
    • 设备驱动 - 驱动外设工作
    • 设备无关性 - 用户程序与实际物理设备无关。
  5. 用户接口

    • 程序接口 - 系统调用接口
    • 命令行接口 - shell
    • 图形用户接口 - 图形界面
      User Interface

操作系统的形成和发展

  1. 手工操作阶段

  2. 早期批处理阶段

  3. 多道批处理系统 multiple-program-running

  4. 分时系统

    分时主要指若干并发程序对CPU时间的共享。

  5. 实时系统

    重要特征:对时间有严格限制和要求

    • 过程控制系统
    • 信息查询系统
    • 事务处理系统

操作系统的主要结构

  1. 单体结构

    模块耦合度高,效率高。

    Monolithic system

  2. 层次结构

    任意一层模块只能调用比它低层的模块来得到服务。

    level structure

  3. 虚拟机结构

    VM/370

    通过共享物理机器资源实现虚拟化。

    同时运行多个操作系统、系统安全,有效地保护系统资源、提供良好的工作环境、组建虚拟网络

  4. C/S 结构

    Microkernel System

    使操作系统保持最小的核心,称为微内核,把所有非本质的服务抽取出来,以用户进程的方式运行为本地服务或网络服务(分布式系统)。

    Distributed System

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