操作系统的概念和功能

什么是操作系统？它的功能和目标有哪些？

操作系统是指控制和管理整个计算机系统的系统资源（软件和硬件），并合理的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（向上层提供便以服务）；它是计算机系统中最基本的系统软件。

1、管理系统资源

举例：使用微信与好友视频
文件管理：找到微信所在的位置
eg：D:\Tencent\WeChat…
存储器管理：双击打开WeChat.exe
（需要把该程序相关数据放入内存，执行一个程序前需要将该程序放入内存中，才能被cpu处理）
处理机管理：微信程序正常运行（对应的进程被处理机cpu处理）
设备管理：开始和朋友视频聊天（需要将摄像头设备分配给进程）

2、向上层提供便易服务

联机命令接口（交互式命令）：在命令提示框中输入指令
脱机命令接口（批处理指令）
程序接口和命令接口统称为用户接口

3、最基本的系统软件–最接近硬件的层次

操作系统的特征

1、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。
易混概念—并行：指的是两个或多个事件在同一时刻同时发生。
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事运行着的，而微观上看是交替运行的。
单核cpu同一时刻只能执行一个程序，多个程序只能并发地执行。
多核cpu同一时刻可以执行多个程序，多个程序可以并行地执行。
eg：四核cpu可以并行四个程序，四个以上的程序需要“同时”运行时，那么并发性依然是必不可少的，因此并发性是操作系统一个最基本的特性。

2、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

1）互斥共享方式
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
允许一个时间段内由多个进程“同时”对它们进行访问
eg：
互斥共享： QQ和微信不能同时与两位不同的好友视频。
同时共享用QQ发送文件A，用微信发送文件B。（宏观上看，两边都在同时读取并发送文件，说明两个进程都在访问硬盘资源，从中读取数据。微观上看，两个进程是交易访问硬盘的）

3、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。

4、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，已不可预知的速度向前推进，这就是进程的异步性。

操作系统的发展与分类

1、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
2、批处理阶段
引入**脱机输入/输入技术（用外围机+磁带完成）通过外围机把程序提前存入磁带，并由监督程序（操作系统的雏形）**负责控制作业的输入输出
1）单道批处理系统
优点：缓解一定程度上的人机速度矛盾，资源利用率有所提升。
缺点：内存中仅能有一道程序进行运行，只有该程序运行结束之后才能调入下一道程序。CPU有大量的事件实在空闲等待I/O完成。资源利用率依然很低。
2）多道批处理系统
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（在I/O工作时，cpu可开始运行下一道程序），cpu和其他资源更能保持“忙碌”状态，系统吞吐量增大。
缺点：用户响应时间长，没有人机交互功能（用户提交作业后只能干等计算机处理完成，中间不能对作业进行操作。eg：无法调试程序/无法在程序运行过程中输入一些参数）。
3、分时操作系统
计算机以时间片（时间段）为单位轮流为各个用户/作业 服务，各个用户可以通过终端与计算机进行交互。
优点：用户请求可以被及时响应，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。
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，循环的为每个用户/作业服务一个时间片，不区分任务的紧急性。
4、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处理，并且要在严格的实现内处理完事件。实时操作系统主要的特点是及时性和可靠性。
优点：能够优先响应一些紧急任务，某些紧急任务不需要时间片排队。

5、其他操作系统

操作系统的运行机制

1、两类程序
1）应用程序：qq 微信诸如此类。
2）内核程序：用来实现操作系统的程序。
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。甚至可以说一个操作系统只要有内核就行了
2、两类指令
1）特权指令：操作系统内核作为“管理者”，有时会让cpu执行一些“特权指令”。如内存清零。这些指令影响重大，只允许“管理者”–即操作系统内核来使用。
2）非特权指令：简单操作 不影响其他应用程序运作的指令
3、两种处理器状态
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执行一条指令就能判断出其类型和区分它是内核程序还是应用程序。
1）内核态/核心态/管态：当cpu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。
2）用户态/目态：当cpu处于用户态是，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”

中断和异常

CPU上会运行两种程序，一种是操作系统内核程序（整个系统的管理者），一种是应用程序。
内核态–>用户态：执行一条特权指令–修改psw的标志为“用户态”，这个动作意味着操作系统将主动让出cpu使用权。
用户态–>内核态：由“中断”引发，硬件主动完成变态过程，触发中断信号意味着操作系统将强行夺回对cpu的使用权。
1、中断的作用
让cpu由用户态转为内核态，是操作系统重新夺回对cpu的控制权。
2、中断类型

1）内中断
与当前执行的指令有关中断信号来自cpu内部
eg1：试图在用户态下执行特权指令
eg2：执行除法指令时发现除数为0
eg3：有时候应用程序想请求操作系统内核的服务，此时会执行一条陷入特殊的指令–陷入指令，该指令会引发一个内部中断信号
2）外中断
与当前执行的指令无关，中断信号来自cpu外部
eg1：时钟中断–时钟部件每隔一个时间片会给cpu发送一个时钟中断信号（让多个程序并发执行）
eg2：I/O中断–由输入/输出设备发来的中断信号（当输入输出任务完成时，向cpu发送中断信号）

3、中断机制则基本原理

转载自CSDN-专业IT技术社区

原文链接：https://blog.csdn.net/killuayou/article/details/140551131