《王道操作系统》学习笔记：计算机系统概述

一、计算机系统概述

1、操作系统的概念、功能和目标

1）、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，它是计算机系统中最基本的系统软件

2）、功能和目标

1）作为系统资源的管理者

进程是一个程序的执行过程。执行前 需要将该进程放到内存中 ，才能被CPU处理

提供的功能 ：处理机管理、存储器管理、文件管理、设备管理

目标 ：安全、高效

2）作为用户和计算机硬件之间的接口

提供的功能 ：

• 命令接口 ：允许用户 直接使用 ，命令接口又分为 联机命令接口（又叫交互式命令接口，例如windows的cmd） 和 脱机命令接口（又叫批处理命令接口，例如windows的 *.bat 文件）
• 程序接口 ：允许用户通过程序 间接使用 ，由一组系统调用组成，例如windows的 .dll 文件
• GUI ：图形用户界面

目标 ：方便用户使用

3）作为最接近硬件的层次

没有任何软件支持的计算机称为 裸机 。在裸机上安装的操作系统，可以提供资源管理功能和方便用户的服务功能，将裸机改造成功能更强、使用更方便的机器

2、操作系统的四个特征

操作系统的四个特征：并发、共享、虚拟、异步

1）、并发

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

并行 ：指两个或多个事件在同一时刻同时发生

一个单核处理机（CPU）同一时刻只能执行一个程序，因此操作系统会负责协调多个程序交替执行

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

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。物理实体是实际存在的，而逻辑上对应物是用户感受到的

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，以不可预知的速度向前推进

3、操作系统的发展与分类

1）、手工操作阶段

2）、批处理阶段

1）单道批处理系统

2）多道批处理系统

3）、分时操作系统

4）、实时操作系统

4、操作系统的运行机制与体系结构

1）、什么是指令

一条高级语言的代码翻译过来可能会对应多条指令雅思网上报名

指令 就是处理器（CPU）能识别、执行的最基本命令

2）、运行机制

3）、操作系统内核

内核 是计算机配置的底层软件，是操作系统最基本、最核心的部分

实现操作系统内核功能的那些程序就是 内核程序

4）、操作系统的体系结构

5、中断和异常

1）、中断机制的诞生

为了解决上述问题，人们发明了操作系统，引入中断机制，实现了多道程序并发执行。只要发生了中断就意味着需要操作系统介入，开展管理工作

进程1 ：

进程2 ：

2）、中断机制的概念和作用

• 当中断发生时，CPU立即进入核心态
• 当中断发生后，当前运行的进程暂停运行，并由操作系统内核对中断进行处理
• 对于不同的中断信号，会进行不同的处理

发生了中断，就意味着需要操作系统介入，开展管理工作。由于操作系统的管理工作（比如进程切换、分配I/O设备等）需要使用特权指令，因此CPU要从用户态转为核心态。中断可以使CPU 从用户态切换为核心态，使操作系统获得计算机的控制权 。有了中断，才能实现多道程序并发执行

用户态、核心态之间的切换是怎么实现的 ？

• 用户态->核心态是通过中断实现的，并且中断是唯一途径
• 核心态->用户态的切换是通过执行一个特权指令，将程序状态字（PSW）的标志位设置为用户态

3）、中断的分类

4）、外中断的处理过程

CPU执行完每个指令之后，CPU都要检查当前是否有外部中断信号

如果检测到外部中断信号，则需要保护被中断进程的CPU环境（如程序状态字PSW、程序计数器PC、各种通用寄存器）

根据中断信号类型转入相应的中断处理程序

恢复原进程的CPU环境并退出中断，返回原进程继续往下执行

6、系统调用

1）、什么是系统调用

2）、系统调用与库函数的区别

3）、系统调用背后的过程

传递系统调用参数->执行陷入指令（ 用户态 ）->执行系统调用相应服务程序（ 核心态 ）->返回用户程序

注意 ：

• 陷入指令 是在 用户态 执行的，执行陷入指令之后立即引发一个 内中断 ，从而CPU进入 核心态
• 发出系统调用请求 是在 用户态 ，而 对系统调用相应处理在核心态 下进行
• 陷入指令是唯一一个只能在用户态执行，而不可在核心态执行的指令