操作系统的概念#

操作系统 是指控制和管理整个计算机系统的硬件和软件资源，并合理地到调度计算机工作和资源，以提供用户和其他软件方便的接口和环境；他是计算机系统中最基本的系统软件

简单说就是 操作系统是管理系统资源的软件

操作系统提供的功能#

  • 处理机管理
  • 存储器管理
  • 文件管理
  • 设备管理

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操作系统向上提供的服务#

  • GUI 点点点
  • 命令接口
    • 联机命令接口： cmd 交互式命令
    • 脱机命令接口： 一个可以运行的文件
  • 程序接口： 系统调用

操作系统的特征#

并发，共享，虚拟，异步

  • 并发

    单核CPU同一时刻只能执行一个程序，但是由于有并发在，可以在微小的时间内交互进行，从而实现人类视角意义上的”并行“

  • 共享（宏观的同时，微观上还是并发访问）

    • 互斥共享方式

      一个时间段内只允许一个进程访问该资源（微信摄像头）

    • 同时共享方式

      允许一个时间段内由多个进程同时访问（比如说同时向微信和QQ上传同一个文件）

  • 虚拟

    虚拟是将物理上的实体变为逻辑意义上的对应物（也就是人们感受到的）

    • 空分复用技术（虚拟存储器技术）
    • 时分复用技术（虚拟处理器）

  • 异步

    由于资源有限，进程的执行不是一贯到底，会以不可预知的速度进行

    比如进程A运行到一半堵塞了，就去运行进程B，进程B运行完再回来运行进程A

cpu的状态#

  • 用户态
  • 内核态

程序运行的过程就是把一条条指令输入CPU中让其执行指令的过程

这里的指令不是指 ls 这些指令，而是指转换后的二进制命令这些

cpu 运行应用程序的时候就是用户态； 运行内核程序的时候就是内核态

普通程序员写的就是应用程序，Linux那帮人写的就是操作系统内核

操作系统不全是内核，比如GUI就是应用程序

内核态可以执行特权指令，用户态只能执行非特权指令

内核态和用户态的转换可以通过 程序状态字寄存器（PSW）实现

内核态 -> 用户态：执行一条特权指令–修改PSW的标志位为”用户态“，操作系统让出CPU使用权

用户态 -> 内核态：由”中断“引发，硬件自动引发变态过程，操作系统强行夺回cpu使用权

  1. 刚开机时，CPU为“内核态”，操作系统内核程序先上CPU运行

  2. 开机完成后，用户可以启动某个应用程序

  3. 操作系统内核程序在合适的时候主动让出CPU，让该应用程序上CPU运行

  4. 应用程序运行在“用户态”

  5. 此时，一位猥琐黑客在应用程序中植入了一条特权指令，企图破坏系统…

  6. CPU发现接下来要执行的这条指令是特权指令，但是自己又处于“用户态”,这个非法事件会引发一个中断信号一

  7. 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

  8. “中断”使操作系统再次夺回CPU的控制权⑨ 操作系统会对引发中断的事件进行处理，处理完了再把CPU使用权交给别的应用程序

中断#

  • 内中断（异常）： 与当前执行的指令有关，来自CPU内部

    • 陷入

      由 陷入指令 引发，是应用程序故意引发的（问题不大）

    • 故障

      由错误条件引起的，可能被内核程序修复，修复后会把CPU使用权返回给应用程序

    • 终止

      直接烂完了

  • 外中断（中断）：与当前执行的指令无关，中断信号来自CPU外部

    • 时钟中断
    • I/O中断请求

内中断#

比如说你在运行一个应用程序，然后突然植入一个非法的指令，那么他会引发一个中断信号，操作系统强行操作CPU，如果操作系统修复了bug就是故障，没有就是终止

又比如说有时候应用程序想要请求操作系统内核的服务（创建文件夹），此时会执行一个特殊的命令—陷入命令，引发一个中断信号，来唤醒操作系统进行内核操作

外中断#

时钟中断就是每隔一个时间给CPU发送一个时钟中断信号，比如说应用程序A运行到一半，发送一个时钟中断信号，然后去运行应用程序B，过一段时间再来一个中断信号…..就此实现并发

I/O中断请求就是关于输入输出有关的

操作系统体系架构#

  • 大内核
  • 微内核

内核时操作系统最基本核心的部分，实现操作系统内核功能的就是内核程序，一般有：

  • 时钟管理
  • 中断处理
  • 原语：原子性的程序
  • 进程通信
  • 对系统资源管理的程序
    • 进程管理
    • 存储器管理
    • 设备管理
    • ….

总体来说前四点与硬件关联较为紧密，最后一点管理工作更多是对数据结构的操作，不直接涉及硬件，因此在操作系统体系架构中有了分歧：

  • 大内核：五个都分为内核程序
  • 微内核：管理功能分为应用程序，前四个分为内核程序

操作系统的内核需要运行在内核态，非内核功能需要运行在用户态

内核态和用户态的转变需要消耗很多资源

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操作系统引导#

简单来说就是电脑启动过程中操作系统是如何开机的

内存分为两块 RAM 和 ROM

RAM会随着关机而清空，ROM不会，他内部有一个ROM引导程序，他会去磁盘找到一个分区表和磁盘引导程序，这个程序会去找到一个启动管理器从而启动操作系统

这个我觉得不重要就没有很详细记录了

虚拟机#

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