概念

控制和管理操作系統(tǒng)軟件和硬件

用戶觀點(diǎn)：用戶和計(jì)算機(jī)之間的接口

基本概念

特征

并發(fā)，共享，虛擬，異步

功能

處理機(jī)管理，存儲器管理，文件管理，設(shè)備管理

作為用戶和硬件接口

命令接口（用戶）

聯(lián)機(jī)命令接口（分時(shí)或?qū)崟r(shí)系統(tǒng)）

脫機(jī)命令接口（批處理系統(tǒng)）

程序接口（編程人員）

由系統(tǒng)調(diào)用組成

分類

批處理系統(tǒng)

單道

多道

宏觀上并行，微觀上串行

資源利用率高，系統(tǒng)吞吐量大，用戶相應(yīng)時(shí)間長，無人機(jī)交互能力

分時(shí)

同時(shí)性，交互性，獨(dú)立性，及時(shí)性

實(shí)時(shí)

及時(shí)性，可靠性

軟實(shí)時(shí)系統(tǒng)：必須規(guī)定時(shí)間完成

硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)：可以偶爾違反時(shí)間

體系結(jié)構(gòu)

內(nèi)核

1.時(shí)鐘管理

計(jì)時(shí)

時(shí)鐘中斷實(shí)現(xiàn)進(jìn)程切換

2.中斷機(jī)制

目的：提高CPU利用率

只有一小部分屬于內(nèi)核，負(fù)責(zé)保護(hù)和恢復(fù)中斷現(xiàn)場信息，轉(zhuǎn)移到相關(guān)處理程序。

3.原語

4.系統(tǒng)控制的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和處理

進(jìn)程管理

存儲器管理

設(shè)備管理

中斷和異常

發(fā)生中斷和異常，進(jìn)入核心態(tài)（硬件實(shí)現(xiàn)）

中斷（外中斷）

CPU執(zhí)行指令外部事件，通常用于輸入輸出

時(shí)鐘中斷

時(shí)間片到引發(fā)中斷

分為可屏蔽和不可屏蔽

可屏蔽（INTR）

不可屏蔽（NMI）

緊急硬件故障

異常（內(nèi)中斷）

不能被屏蔽，一旦出現(xiàn)，立即處理

引發(fā)

非法操作及專業(yè)的陷入指令

分為故障，自陷和終止

故障（軟件中斷）

指令執(zhí)行引起的異常，如除數(shù)為0，運(yùn)算溢出，缺頁故障

自陷（軟件中斷）

事先安排的“異常”事件

終止（硬件中斷）

硬件故障

系統(tǒng)調(diào)用

功能分類

設(shè)備管理

文件管理

進(jìn)程控制

進(jìn)程通信

內(nèi)存管理

用戶可以執(zhí)行陷入指令（又稱訪管指令或trap指令）來發(fā)起系統(tǒng)調(diào)用?

系統(tǒng)調(diào)用

?狀態(tài)碼：管態(tài)、目態(tài)，決定是否可以使用特權(quán)指令

?

用戶態(tài)轉(zhuǎn)向核心態(tài)例子

1.系統(tǒng)調(diào)用

2.中斷

3.錯(cuò)誤狀態(tài)

4.用戶程序企圖執(zhí)行特權(quán)指令

用戶態(tài)轉(zhuǎn)向核心態(tài)堆棧由用戶堆棧轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)堆棧（也屬于該進(jìn)程）

操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

分層法

最底層為硬件，最高層為用戶接口，每層只能調(diào)用緊鄰他的低層功能和服務(wù)（單向依賴）

優(yōu)點(diǎn)

便于系統(tǒng)調(diào)試和驗(yàn)證，簡化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

一層一層的調(diào)試，若有錯(cuò)誤，那肯定是這層出現(xiàn)問題

易擴(kuò)展和維護(hù)

缺點(diǎn)

合理定義各層較難

效率較差

模塊化

衡量模塊化大小

模塊化獨(dú)立性標(biāo)準(zhǔn)：

內(nèi)聚性：越高，獨(dú)立性越好

耦合性：越低，獨(dú)立性越好

宏內(nèi)核

主要模塊作為一個(gè)緊密聯(lián)系的整體運(yùn)行在核心態(tài)

微內(nèi)核

內(nèi)核最基本功能保留在內(nèi)核，把不需要再核心態(tài)執(zhí)行功能移到用戶態(tài)執(zhí)行

通常包括

1.與硬件處理緊密相關(guān)的部分

2.基本功能

3.客戶和服務(wù)器的通信

一個(gè)模塊錯(cuò)誤只會使模塊崩潰，而不會使整個(gè)系統(tǒng)崩潰

基本功能

1.進(jìn)程（線程）管理

2.低級存儲器管理

頁表和地址變換，依賴硬件

關(guān)于虛擬存儲器，頁面置換算法，內(nèi)存的回收和分配

3.中斷和陷入處理

把硬件相關(guān)放入微內(nèi)核

特點(diǎn)

擴(kuò)展性和靈活性：新增功能只需加服務(wù)器，不用改內(nèi)核

可靠性和安全性

可移植性：移植需要進(jìn)行修改較少

外核

為虛擬機(jī)分配資源

操作系統(tǒng)引導(dǎo)

計(jì)算機(jī)利用CPU運(yùn)行特定程序

識別硬盤上的操作系統(tǒng)

通過程序啟動操作系統(tǒng)

1.激活CPU

激活的CPU讀取ROM的boot程序，將指令寄存器置為BIOS（基本輸入輸出系統(tǒng)）第一條指令，便開始執(zhí)行BIOS指令

2.硬件自檢

檢查硬件是否故障

3.加載帶有操作系統(tǒng)的硬盤

4.加載主引導(dǎo)記錄MBR

5.掃描硬盤分區(qū)表

6.加載分區(qū)并引導(dǎo)記錄PBR

7.加載啟動管理器

8.加載操作系統(tǒng)

虛擬機(jī)

裝入內(nèi)存方式

絕對裝入

按裝入模塊中的地址裝入內(nèi)存，裝入后邏輯地址和物理地址完全相同

可重定位裝入

裝入后進(jìn)行重定位

動態(tài)運(yùn)行時(shí)裝入

裝入模塊后，并不將邏輯地址轉(zhuǎn)換成物理地址，在運(yùn)行時(shí)才地址轉(zhuǎn)換

模塊鏈接

靜態(tài)鏈接

在程序運(yùn)行前，將各目標(biāo)模塊和庫函數(shù)鏈接成一個(gè)完整的裝入模塊

裝入時(shí)動態(tài)鏈接

將源程序編譯后得到目標(biāo)模塊，用邊裝入邊鏈接的方式裝入內(nèi)存

動態(tài)運(yùn)行時(shí)鏈接

程序運(yùn)行時(shí)再進(jìn)行鏈接

習(xí)題補(bǔ)充

多任務(wù)操作系統(tǒng)：多個(gè)任務(wù)并發(fā)運(yùn)行的操作系統(tǒng)

缺頁發(fā)生在用戶態(tài)，執(zhí)行在內(nèi)核態(tài)

用戶態(tài)進(jìn)行訪問虛擬地址時(shí)，如果缺頁，在內(nèi)核態(tài)進(jìn)行缺頁處理

?

?

用戶界面

包括命令接口，程序接口和操作環(huán)境

進(jìn)程越多

CPU利用率先增加后減小

原因：上下文切換，競爭資源

引入多道程序技術(shù)的前提條件

系統(tǒng)具有中斷功能

中斷機(jī)制是多道程序設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。它允許CPU在執(zhí)行一個(gè)程序時(shí)被外部事件（如I/O操作完成、定時(shí)器到期等）打斷，并轉(zhuǎn)向處理這些事件。

DOS系統(tǒng)

是單道批處理系統(tǒng)