计算机操作系统

发布日期: 2024-05-17

更新日期: 2024-05-24

文章字数: 1.8k

阅读时长: 6 分

阅读次数:

操作系统的特征

并发
- 指两个或多个事件在同一时间间隔内发生，宏观上同时发生，微观上交替发生
- 并行：指两个或多个事件在同一时刻同时发生
- 单核CPU同一时刻只能执行一个程序，各个程序只能并发地执行
- 多核CPU同一时刻可以同时执行多个程序，多个程序可以并行地执行
共享
- 互斥共享方式：一个时间段内只允许一个进程访问访问资源
- 同时共享方式：允许一个时间段内多个进程同时堆资源进行访问
虚拟
- 把一个物理上的实体变为若干个逻辑上的对应物
- 空分复用技术
- 时分复用技术
异步
- 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，进程的执行是走走停停的，以不可预知的速度向前推进，这就是进程的异步性
- 只有系统有并发性，才会有可能有异步性

并发和并行的区别

并发和共享互为存在条件

没有并发和共享，就没有虚拟和异步，因此并发和共享是操作系统的两个最基本的特征

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执行一条指令前就能判断出其类型

CPU能判断出指令类型，但是他是怎么区分此时正在运行的程序是内核程序还是应用程序？

CPU的状态：内核态&用户态

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

处于用户态时，说明此时正在运行的时应用程序，此时只能执行非特权指令

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”

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”，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，硬件自动完成变态过程，触发中断信号意味着操作系统将强行夺回CPU的使用权

中断是让操作系统内核夺回CPU使用权的唯一途径

中断会使CPU由用户态变为内核态，使操作系统重新夺回对CPU的控制权

如果没有中断机制，那么一旦应用程序在CPU上运行，CPU就会一直运行这个应用程序，谈何并发？

内中断（异常、例外）：与当前执行的指令有关，中断信号来源于CPU内部
- 陷入（trap）：陷入指令引发（应用程序故意引发的）
- 故障（fault）：错误条件引起的，例如缺页故障
- 终止（abort）：致命错误引起，例如除数为0、非法使用特权指令
外中断（中断）：与当前执行的指令无关，中断信号来源于CPU外部
- 时钟中断
- I/O中断

内中断的例子：

试图在用户态下执行特权指令
执行除法指令时发现除数是0
有时候应用程序想请求操作系统内核的服务，此时会执行一条特殊的指令：陷入指令，该指令会引发一个内部中断信号（执行陷入指令意味着应用程序主动的将CPU控制权还给操作系统内核。”系统调用“就是通过陷入指令完成的）

外中断的例子

不同的中断信号，需要用不同的中断处理程序来处理，当CPU监测到中断信号后，会根据中断信号的类型去查询“中断向量表”，以此找到相应的中断处理程序在内存中的存放位置（指针）

中断和异常

是操作系统提供给应用程序使用的接口，可理解为一种可供应用程序调用的特殊函数，应用程序可以通过系统调用来请求获取系统内核的服务

普通应用程序	可以直接进行系统调用，也可以使用库函数，有的库函数设计系统调用，有的不涉及
编程语言	向上提供库函数，有时会将系统调用封装成库函数，以隐藏系统调用的一些细节，方便编程操作
操作系统	向上提供系统调用，使得上层程序能请求内核的服务
裸机