操作系統(tǒng)基本概念

概念

📌 操作系統(tǒng)是裸機(jī)上的第一層軟件，是 對(duì)硬件功能的首次擴(kuò)充。引入操作系統(tǒng)的目的是：提供一個(gè)用戶與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之間的 接口；有效地 控制和管理 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的各種 硬件和軟件資源；合理地 組織 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的 工作流程。

特征

1?? 并發(fā)性
🔔 注意：
并行：同一時(shí)刻 ???????????并發(fā)：同一時(shí)間間隔
并發(fā)宏觀上看起來是并行。
2?? 共享性
🔔 注意：
? 并發(fā)和共享是操作系統(tǒng)兩個(gè)最基本的特征，二者之間 互為存在條件。
? 有兩種共享方式：互斥共享、同時(shí)訪問
3?? 虛擬性
把一個(gè)物理上的實(shí)體變?yōu)槿舾蓚€(gè)邏輯上的對(duì)應(yīng)物。
時(shí)分復(fù)用技術(shù)：虛擬處理機(jī)技術(shù)、虛擬設(shè)備技術(shù)
空分復(fù)用技術(shù)：虛擬磁盤技術(shù)、虛擬存儲(chǔ)器技術(shù)
4?? 異步性
在多道程序環(huán)境中，程序是以 不可預(yù)知 的方式運(yùn)行的。

功能

1?? 處理器管理
2?? 存儲(chǔ)器管理
3?? 設(shè)備管理
4?? 文件管理
5?? 用戶接口
? 命令接口
聯(lián)機(jī) 命令接口（交互式 命令接口）
脫機(jī) 命令接口（批處理 命令接口）
? 程序接口 (系統(tǒng)調(diào)用)
? 圖形接口
6?? 擴(kuò)充機(jī)器 （虛擬機(jī)）

操作系統(tǒng)的分類與發(fā)展

手工操作

?? 特點(diǎn)：
? 用戶獨(dú)占計(jì)算機(jī)資源
? 資源利用率低
? CPU 等待人工操作

單道批處理系統(tǒng)

為了解決 CPU 和 I/O 設(shè)備之間速度不匹配的矛盾，引入了 脫機(jī)輸入輸出 方式：

采用脫機(jī)輸入 / 輸出方式后，低速 I/O 設(shè)備上的數(shù)據(jù)輸入/輸出都在外圍機(jī)的控制下進(jìn)行，而 CPU 只與高速的輸入帶及輸出帶打交道，從而有效地減少了 CPU 等待慢速 輸入/輸出 設(shè)備的時(shí)間。
?? 特點(diǎn)：
自動(dòng)性、順序性、單道性
😣 缺點(diǎn)：
I/O 操作時(shí)， CPU 無事可做。

多道批處理系統(tǒng)

?? 特點(diǎn)：
多道性、宏觀上多任務(wù)并行、微觀上多任務(wù)分片串行
😀 優(yōu)點(diǎn)：
提高了 CPU 、內(nèi)存 和 I/O 設(shè)備 的利用率，因此系統(tǒng)吞吐量得到提高
😣 缺點(diǎn)：
無交互能力

分時(shí)系統(tǒng)

?? 特點(diǎn)：
多路性、獨(dú)立性、及時(shí)性 和 交互性

實(shí)時(shí)系統(tǒng)

?? 特點(diǎn)：
多路性、獨(dú)立性、及時(shí)性、交互性 和 可靠性

操作系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境

CPU 運(yùn)行模式

① 核心態(tài) (管態(tài)、系統(tǒng)態(tài)) 💻 : 操作系統(tǒng)管理程序執(zhí)行時(shí)機(jī)器所處的狀態(tài)。
特權(quán)指令：I/O 指令、設(shè)置中斷屏蔽指令、清內(nèi)存指令、存儲(chǔ)保護(hù)指令 和 設(shè)置時(shí)鐘指令
② 用戶態(tài) (目態(tài)) 👧 : 用戶程序執(zhí)行時(shí)機(jī)器所處的狀態(tài)。
🔔 注意：
用戶程序在目態(tài)下使用特權(quán)指令引起的中斷屬于 訪管中斷。

中斷和異常的處理

🎇 中斷（外中斷）：系統(tǒng)正常功能的一部分。中斷處理完后會(huì)繼續(xù)執(zhí)行中斷前的進(jìn)程。
💣 異常（內(nèi)中斷）：錯(cuò)誤引起。
通常異常會(huì)引起中斷，中斷未必是異常引起的。
🔔 注意：
? 在中斷發(fā)生后，進(jìn)入中斷處理的程序?qū)儆?操作系統(tǒng)程序。
? 中斷處理需要保存系統(tǒng)所處的狀態(tài)，即保存 程序狀態(tài)字 中的內(nèi)容。
? 外部中斷處理過程中，程序計(jì)數(shù)器 的內(nèi)容由 中斷隱指令(硬件) 自動(dòng)保存，通用寄存器 的內(nèi)容由 操作系統(tǒng) 保存。

系統(tǒng)調(diào)用

🔢 執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用的步驟：
1?? 傳遞系統(tǒng)調(diào)用參數(shù)
2?? 執(zhí)行陷入 (trap) 指令
3?? 執(zhí)行相應(yīng)的服務(wù)程序
4?? 返回用戶態(tài)

程序的鏈接與裝入

程序由高級(jí)語言代碼轉(zhuǎn)化為在內(nèi)存中可被計(jì)算機(jī)執(zhí)行的指令主要分為三個(gè)步驟：
① 編譯程序 (Compiler) 將用戶源代碼編譯成 CPU 可執(zhí)行的目標(biāo)代碼，產(chǎn)生若干個(gè)目標(biāo)模塊 (Object Module) （即若干程序段）
② 鏈接程序 (Linker) 將編譯后形成的一組目標(biāo)模塊 (程序段) 以及它們所需要的庫(kù)函數(shù)鏈接在一起，形成一個(gè)完整的裝入模塊 (Load Module)
程序的鏈接由三種方式：
? 靜態(tài)鏈接 ? 裝入時(shí)動(dòng)態(tài)鏈接 ? 運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)鏈接
③ 裝入程序 (Loader) 將裝入模塊裝入物理內(nèi)存（地址重定位）
模塊在裝入內(nèi)存時(shí)有三種方式：
? 絕對(duì)裝入 ? 可重定位裝入 (靜態(tài)重定位) ? 動(dòng)態(tài)運(yùn)行時(shí)裝入 (動(dòng)態(tài)重定位)

程序運(yùn)行時(shí)內(nèi)存映像和地址空間

🪞 程序的內(nèi)存映像：裝載到內(nèi)存中的程序代碼區(qū)稱為程序的內(nèi)存映像。
① 程序區(qū) : 程序指令
② 靜態(tài)存儲(chǔ)區(qū)：永久數(shù)據(jù)
? 常量區(qū)：常量
? 靜態(tài)變量區(qū)：全局變量、靜態(tài)變量
③ 動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)區(qū)：臨時(shí)數(shù)據(jù)
? 棧區(qū)：自動(dòng)變量（包括函數(shù)的形參）
? 堆區(qū)：動(dòng)態(tài)變量（數(shù)組）

操作系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

① 模塊組合結(jié)構(gòu)
😀 優(yōu)點(diǎn)： 效率高
😣 缺點(diǎn)： 結(jié)構(gòu)不清晰、可擴(kuò)展性差、可適應(yīng)性差
② 層次結(jié)構(gòu)
😀 優(yōu)點(diǎn)： 清晰、可讀性、可適應(yīng)性、可靠性強(qiáng)
😣 缺點(diǎn)： 分層不易
③ 微內(nèi)核結(jié)構(gòu)
😀 優(yōu)點(diǎn)： 適用于分布式系統(tǒng)、可靠、靈活、便于維護(hù)
😣 缺點(diǎn)： 效率低

操作系統(tǒng)的引導(dǎo)

硬盤通常分為幾個(gè)區(qū)，在安裝完一個(gè)操作系統(tǒng)或者開機(jī)后，需要 讓計(jì)算機(jī)在開機(jī)時(shí)能識(shí)別分區(qū)中的系統(tǒng)，這個(gè)過程就是 系統(tǒng)引導(dǎo)。
① 激活 CPU 讀取 ROM 里的 BIOS 程序。
② BIOS 讀取 Boot Sequence， 尋找最后兩個(gè)字節(jié)為 55AAH 的 MBR 主引導(dǎo)記錄。
③ 在 DPT (硬盤分區(qū)表) 中尋找首字節(jié)為 0x80H 的活動(dòng)分區(qū)。
④ 加載活動(dòng)分區(qū)的第一個(gè)扇區(qū) PBR (分區(qū)引導(dǎo)記錄）。
⑤ Boot Leader (啟動(dòng)管理器) 啟動(dòng)操作系統(tǒng)。(即操作系統(tǒng)初始化)
🔔 注意：
? MBR 是磁盤的第一個(gè)扇區(qū)，它 不屬于任何的磁盤分區(qū)；而 PBR 位于磁盤活動(dòng)分區(qū)的第一個(gè)扇區(qū)，即它是由磁盤分區(qū)歸屬的。
? 存儲(chǔ)介質(zhì)能否用于啟動(dòng)的唯一標(biāo)志為：第一個(gè)扇區(qū)最后兩個(gè)字節(jié)是否為 55AAH。
? 操作系統(tǒng)最終被加載到 RAM 。
? 把硬盤作為啟動(dòng)盤，需要完成：
? 物理格式化（磁盤扇區(qū)的劃分、為扇區(qū)排序、對(duì)已損壞的磁盤或扇區(qū)做 “壞” 標(biāo)記）
? 對(duì)磁盤進(jìn)行分區(qū)
? 邏輯格式化 (對(duì)扇區(qū)進(jìn)行邏輯編號(hào)、建立邏輯盤的引導(dǎo)記錄、文件分配表、文件目錄表 和數(shù)據(jù)區(qū)等）
? 操作系統(tǒng)的安裝