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操作系统概述

操作系统是什么
操作系统(Operating System, OS)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的程序集合。

操作系统特征:并发,共享,虚拟和异步


并发与并行
并发是指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。在多道程序环境下,一段时间内,宏观上有多道程序在同时执行,而在每一时刻,单处理机环境下实际仅能有一道程序执行,故微观上这些程序还是在分时地交替执行。橾作系统的并发性是通过分时得以实现的。
并行性是指系统具有可以同时进行运算或操作的特性,在同一时刻完成两种或两种以上的工作。并行性需要有相关硬件的支持,如多流水线或多处理机硬件环境。

操作系统作为计算机系统资源的管理者
进程管理:进程控制、进程同步、进程通信、死锁处理、处理机调度等。
存储器管理:内存分配、地址映射、内存保护与共享和内存扩充等功能。
文件管理:文件存储空间的管理、目录管理及文件读写管理和保护等。
设备管理:缓冲管理、设备分配、设备处理和虛拟设备等功能。

操作系统内核:

计算机系统中,通常CPU执行两种不同性质的程序:一种是操作系统内核程序;另一种是用户自编程序或系统外层的应用程序。对操作系统而言,这两种程序的作 用不同,前者是后者的管理者,因此“管理程序”要执行一些特权指令,而“被管理程序”出于安全考虑不能执行这些指令。所谓特权指令,是指计算机中不允许用 户直接使用的指令,如I/O指令、 置中断指令,存取用于内存保护的寄存器、送程序状态字到程序状态字寄存器等指令。操作系统在具体实现上划分了用户态(目态)和核心态(管态),以严格区分 两类程序。这部分内容的指令操作工作在核心态。

核心态指令包括系统调用类指令和一些针对时钟、中断和原语的操作指令。

一些与硬件关联较紧密的模块,诸如时钟管理、中断处理、设备驱动等处于最底层。其次是运行频率较髙的程序,诸如进程管理、存储器管理和设备管理等。这两部分内容构成了操作系统的内核。

中断

在操作系统中引入核心态和用户态这两种工作状态后,就需要考虑这两种状态之间如何切换。操作系统内核工作在核心态,而用户程序工作在用户态。但系统不允许 用户程序实现核心态的功能,而它们又必须使用这些功能。因此,需要在核心态建立一些“门”,实现从用户态进入核心态。在实际操作系统中,CPU运行上层程 序时唯一能进入这些“门”的途径就是通过中断或异常。当中断或异常发生时,运行用户态的CPU会立即进入核心态,这是通过硬件实现的(结合计算机组成原理)。

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