操作系统 —— A / 概述

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目录

一、基本概念

[1.1 概念](#1.1 概念)

[1.1.1 引例：一台电脑的诞生](#1.1.1 引例：一台电脑的诞生)

[1.1.2 定义](#1.1.2 定义)

[1.2 功能和目标](#1.2 功能和目标)

[1.2.1 作为系统资源的管理者](#1.2.1 作为系统资源的管理者)

[1.2.2 向上层提供方便易用的服务](#1.2.2 向上层提供方便易用的服务)

[1.2.3 实现了对计算机功能的扩充](#1.2.3 实现了对计算机功能的扩充)

[1.3 操作系统的特征](#1.3 操作系统的特征)

[1.3.1. 并发](#1.3.1. 并发)

[1.3.2. 共享](#1.3.2. 共享)

[1.3.3 虚拟](#1.3.3 虚拟)

[1.3.4 异步](#1.3.4 异步)

二、发展历史

[2.1 手工操作阶段](#2.1 手工操作阶段)

[2.2 批处理阶段](#2.2 批处理阶段)

[2.2.1 批处理阶段 ------ 单道批处理系统](#2.2.1 批处理阶段 —— 单道批处理系统)

[2.2.2 批处理阶段 ------ 多道批处理系统](#2.2.2 批处理阶段 —— 多道批处理系统)

[2.3 分时操作系统](#2.3 分时操作系统)

[2.4 实时操作系统](#2.4 实时操作系统)

[2.5 其他几种操作系统](#2.5 其他几种操作系统)

三、运行环境

[3.1 处理器运行模式](#3.1 处理器运行模式)

[3.1.1 特权指令vs非特权指令](#3.1.1 特权指令vs非特权指令)

[3.1.2 内核态vs用户态](#3.1.2 内核态vs用户态)

[3.2 中断和异常](#3.2 中断和异常)

[3.2.1 中断的作用](#3.2.1 中断的作用)

[3.2.2 中断的类型](#3.2.2 中断的类型)

[3.2.3 中断的分类](#3.2.3 中断的分类)

[3.2.4 中断机制的基本原理](#3.2.4 中断机制的基本原理)

[3.3 系统调用](#3.3 系统调用)

[3.3.1 什么是系统调用](#3.3.1 什么是系统调用)

[3.3.2 系统调用与库函数的区别](#3.3.2 系统调用与库函数的区别)

[3.3.3 小例子](#3.3.3 小例子)

[3.3.4 什么功能要用到系统调用](#3.3.4 什么功能要用到系统调用)

[3.3.5 系统调用的过程](#3.3.5 系统调用的过程)

四、结构

[4.1 计算机系统的层次结构](#4.1 计算机系统的层次结构)

[4.2 大内核（宏内核）](#4.2 大内核（宏内核）)

[4.3 微内核](#4.3 微内核)

[4.4 最新结构大总结](#4.4 最新结构大总结)

五、引导

[5.1 磁盘相关数据](#5.1 磁盘相关数据)

[5.2 操作系统引导过程](#5.2 操作系统引导过程)

[5.3 应用案例](#5.3 应用案例)

六、虚拟机

[6.1 传统计算机](#6.1 传统计算机)

[6.2 虚拟机](#6.2 虚拟机)

[6.2.1 虚拟机的定义](#6.2.1 虚拟机的定义)

[6.2.2 虚拟机管理程序](#6.2.2 虚拟机管理程序)

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一、基本概念

1.1 概念

1.1.1 引例：一台电脑的诞生

• 层次结构：计算机系统分为四层，从下到上依次是：裸机（纯硬件）→操作系统→应用程序→用户

• 裸机定义：仅包含CPU、内存等硬件组件，不含任何软件的机器

• 典型安装流程：厂家组装裸机→安装操作系统（如Windows）→用户安装应用程序（如QQ）→使用应用程序

• 边界特点：用户与操作系统、应用程序与操作系统之间存在交互边界。

1.1.2 定义

• 核心定义：操作系统是控制和管理整个计算机系统的硬件和软件资源，并合理组织调度计算机工作和资源分配的系统软件

1.2 功能和目标

1.2.1 作为系统资源的管理者

引例：用QQ和朋友视频聊天的过程

• 四步流程：

  • 文件管理：通过目录结构查找QQ.exe（如D:/Tencent/QQ/Bin）

  • 存储器管理：将程序从磁盘加载到内存，并确定存放位置

  • 处理机管理：为QQ分配CPU资源

  • 设备管理：分配摄像头等设备资源

1.2.2 向上层提供方便易用的服务

1）封装的思想

裸机只能识别二进制指令（如010101），所以操作系统将硬件功能封装为友好接口，类比汽车将复杂机械结构封装为方向盘等简单控制部件。

2）程序接口

系统调用

• 使用方式：通过程序代码间接使用（如C语言的printf函数）

• 实现机制：库函数→系统调用→硬件操作

• 术语注意：系统调用又称广义指令

GUI图形化用户接口

• 特点：通过图形界面操作，无需记忆复杂命令

• 实例：Windows中将文件拖拽到回收站即可删除

• 发展：现代操作系统普遍提供，早期系统不具备

3）命令接口

联机命令接口

• 交互特点：用户说一句，系统做一句（如 命令提示符）

• 典型流程：输入命令→系统响应→用户输入新指令

脱机命令接口

• 文件特征：以C盘中 *.bat为后缀的命令集合

• 执行特点：用户提供命令清单，系统批量执行

• 与联机区别：联机是交互式（说一句做一句），脱机是批处理式

1.2.3 实现了对计算机功能的扩充

• 机器拓展：操作系统将裸机改造为功能更强的扩充机器/虚拟机

• 实现方式：协调组织CPU、内存等硬件，使其协同工作

• 类比说明：如同传动系统将发动机的转动转化为汽车行进

1.3 操作系统的特征

1.3.1. 并发

• 定义：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

• 并行对比：并行指两个或多个事件在同一时刻同时发生，并发强调时间间隔内的交替执行，并行强调物理上的同时执行

• 操作系统并发性：计算机中同时运行多个程序，宏观同时运行，微观交替运行

• 硬件影响：

  • 单核CPU只能并发执行程序（交替发生）

  • 多核CPU可并行执行程序（如4核CPU可并行同时4个程序）

1.3.2. 共享

• 定义：系统资源供多个并发进程共同使用

• 互斥共享：一个时间段内只允许一个进程访问（如摄像头）

• 同时共享：宏观上允许多个进程"同时"访问（微观可能交替）

1）例题:互斥共享方式

• 典型案例：QQ和微信争抢摄像头

• 现象说明：当一个视频应用占用摄像头时，其他应用无法同时使用

• 答案：互斥共享的本质是资源的独占性访问

2）例题:同时共享方式

• 典型案例：QQ和微信同时发送文件

• 微观机制：进程交替访问硬盘（宏观表现为同时）

• 答案：同时共享分为逻辑同时和物理同时两种

并发和共享的关系

• 互为条件：无并发则共享失去意义，无共享则无法实现并发；

• 基础地位：这两个特征是虚拟和异步特性的前提。

1.3.3 虚拟

• 定义：将物理实体变为多个逻辑对应物

• 空分复用：如虚拟存储器（4GB物理内存表现为更大逻辑内存）

• 时分复用：如虚拟处理器（单核CPU表现为多逻辑CPU）

1.3.4 异步

• 定义：多道程序并发执行时因资源竞争导致的执行不确定性

• 核心表现：程序执行走走停停，速度不可预知

• 产生原因：有限资源被多个程序争抢

例题:约会争抢资源

• 题目解析

  • 类比案例：老渣与两个女友争抢"真心"资源

  • 程序表现：指令执行可能在不同位置被阻塞

  • 答案：异步性是并发执行的必然结果

二、发展历史

2.1 手工操作阶段

• 工作方式：

  • 编程介质：使用穿孔纸带（有孔=1，无孔=0）

  • 执行流程：人工装纸带→计算机读取→计算→输出到纸带→人工取结果

• 主要缺点：

  • 独占性：用户独占全机资源

  • 效率问题：人机速度矛盾严重（人工操作/IO速度慢 vs CPU计算速度快）

  • 资源浪费：CPU利用率极低（忙碌时间占比约20%）

2.2 批处理阶段

2.2.1 批处理阶段 ------ 单道批处理系统

• 技术改进：

  • 脱机IO技术：通过外围机+磁带实现（速度比纸带机快）

  • 监督程序：自动控制作业输入/输出流程

• 执行特点：

  • 串行处理：内存中仅驻留一道程序

  • 流程优化：作业从磁带读取→计算→输出到另一磁带

• 优缺点：

  • 优点：缓解人机速度矛盾，CPU利用率提升

  • 缺点：资源利用率仍较低（IO时CPU空闲）

2.2.2 批处理阶段 ------ 多道批处理系统

• 核心创新：

  • 多道程序技术：内存同时驻留多个程序

  • 资源复用：CPU计算时并行执行IO操作

• 系统特性：

  • 正式诞生：首个真正意义上的操作系统

  • 并发执行：程序共享CPU/IO设备资源

• 优缺点：

  • 优点：资源利用率大幅提升（CPU忙碌时间达80%+）

  • 缺点：缺乏人机交互功能（用户无法调试程序）

2.3 分时操作系统

• 核心机制：

  • 时间片轮转：以固定时间片（如50ms）轮流服务各用户

  • 终端交互：支持键盘/鼠标等交互设备

• 典型特征：

  • 及时响应：用户请求最大延迟=时间片×用户数

  • 虚拟独占：每个用户感知独占计算机

• 局限性：无法优先处理紧急任务（公平调度）

2.4 实时操作系统

• 核心特性：

  • 优先级响应：紧急任务无需排队

  • 严格时限：必须在规定时间内完成处理

• 分类对比：

  • 硬实时系统：绝对严格时限（如导弹控制、自动驾驶）

  • 软实时系统：允许偶尔超时（如12306票务系统）

• 设计重点：及时性（响应速度）和可靠性（结果正确）

2.5 其他几种操作系统

• 网络操作系统：

  • 功能：实现数据传送、资源共享（如文件共享）

  • 实例：Windows NT（典型网站服务器系统）

• 分布式操作系统：

  • 特点：分布性+并行性（多机协同完成任务）

• 个人计算机系统：

  • 实例：Windows XP、MacOS（单用户友好设计）

三、运行环境

3.1 处理器运行模式

3.1.1 特权指令vs非特权指令

• 程序分类：

  • 应用程序：普通程序员开发的程序（如QQ、微信），运行在操作系统之上

  • 内核程序：操作系统开发者编写的程序，组成操作系统内核（kernel）

• 指令区别：

  • 特权指令：可能严重影响系统（如内存清零），仅允许内核程序使用

  • 非特权指令：常规运算指令（如加减乘除），所有程序均可使用

• 硬件支持：CPU设计时已划分特权/非特权指令，执行时可自动识别指令类型

3.1.2 内核态vs用户态

• 状态标识：

  • 内核态（核心态/管态）：运行内核程序，可执行特权指令

  • 用户态（目态）：运行应用程序，仅能执行非特权指令

• 实现机制：通过PSW（程序状态字）寄存器中的二进制位标记当前状态

引例：CPU状态切换过程

• 开机过程：

  • 初始为内核态，执行系统初始化内核程序

  • 完成后通过特权指令修改PSW切换为用户态

• 异常处理：

  • 应用程序尝试执行特权指令会触发中断

  • CPU自动切换回内核态执行中断处理程序

• 切换方式：

  • 内核态→用户态：执行修改PSW的特权指令（主动让权）

  • 用户态→内核态：由中断触发，硬件自动完成（强制夺权）

3.2 中断和异常

3.2.1 中断的作用

• 核心功能：

  • 强制使CPU从用户态切换至内核态，使操作系统能强行夺回CPU控制权

• 必要性：

  • 若无中断机制，应用程序将独占CPU无法实现多道程序并发

  • 是操作系统实现进程管理的基础

• 状态转换：通过特权指令主动让权，通过中断机制被动夺权

3.2.2 中断的类型

1）内中断

• 本质特征：中断信号来源于CPU内部，与当前执行指令直接相关

• 别称：在考试和教材中常称为"异常"

• 例题1

  • 触发场景：用户态程序尝试执行特权指令

  • 处理流程：

    • CPU检测到非法指令

    • 触发中断信号拒绝执行

    • 自动切换至内核态执行处理程序

  • 结果：操作系统重新获得CPU控制权

• 例题2

  • 典型情况：执行除法指令时除数为零

  • 特点：即使是非特权指令，参数非法也会触发内中断

• 例题3

  • 特殊指令：陷入指令（trap）

    • 非特权指令但会引发内中断，用于应用程序主动请求内核服务

  • 应用：系统调用的底层实现机制

2）外中断

• 本质特征：中断信号来自CPU外部，与当前指令无关

• 检测时机：CPU在每个指令周期末尾例行检查

• 例题1

  • 硬件来源：时钟部件周期性发送（如每50ms）

  • 并发实现：

    • 应用程序1执行时收到时钟中断

    • CPU切换至内核态处理中断

    • 内核调度应用程序2运行

    • 循环切换实现多道程序并发

• 例题2

  • 典型场景：I/O设备完成任务后发送中断信号

    • 如打印机完成打印任务

  • 处理方式：由对应内核程序处理设备通知

3.2.3 中断的分类

• 术语对照：

  • 内中断 = 异常

  • 外中断 = 中断（狭义）

• 异常子类：

  • 陷入(trap)：程序主动引发（如系统调用）

  • 故障(fault)：可修复错误（如缺页故障）

  • 终止(abort)：致命错误（如除零、非法特权指令）

3.2.4 中断机制的基本原理

• 处理流程：

  • CPU检测中断信号

  • 查询中断向量表获取处理程序地址

  • 执行对应的内核处理程序

• 检测差异：

  • 内中断：执行指令时立即检查

  • 外中断：指令周期末尾例行检查

3.3 系统调用

3.3.1 什么是系统调用

• 定义: 系统调用是应用程序请求操作系统内核服务的编程接口，由一组系统调用组成。

• 作用: 作为程序接口提供给应用程序使用，与命令接口(GUI/命令行)并列构成操作系统对外的两大接口类型。

• 类比: 类似于函数调用，但属于更底层的服务请求机制。

3.3.2 系统调用与库函数的区别

• 实现差异:

  • 部分库函数(如math.hmath.hmath.h中的数学运算)无需系统调用

  • 必须特权的操作(如文件创建)最终会调用系统调用

• 编程视角:

  • 现代编程多使用高级语言库函数

  • 底层可通过汇编直接发起系统调用

3.3.3 小例子

• 案例描述: WPS和Word并发打印导致内容混杂

• 问题本质: 共享资源(打印机)未受管控的并发访问

• 解决方案:

  • 操作系统统一管理共享资源

  • 通过系统调用实现资源分配

  • 保证互斥访问避免冲突

• 核心启示: 系统调用是解决资源共享问题的必要机制

3.3.4 什么功能要用到系统调用

• 功能分类

  

• 共同特征: 涉及共享资源操作

• 管理必要性: 有限资源需统一分配，确保系统稳定性

3.3.5 系统调用的过程

• 执行流程:

  • 用户态传参(通过寄存器)

  • 执行陷入指令(trap)

  • 触发内中断转入核心态

  • 执行系统调用处理程序

  • 返回用户态继续执行

• 关键指令:

  • 陷入指令(非特权指令)

  • 别名：trap指令/访管指令

• 状态转换:

  • 请求在用户态发起

  • 处理在核心态完成

• 高级语言封装:

  • 库函数隐藏底层细节

  • 参数传递和陷入指令由库函数处理

总结：

四、结构

4.1 计算机系统的层次结构

• 基本组成: 从下到上依次为裸机（纯硬件）、非内核功能（如GUI）、用户应用程序（软件）

• 内核功能:

  • 时钟管理: 通过时钟中断实现计算机计时功能，是程序并发的基础

  • 中断处理: 负责实现中断机制

  • 原语: 具有原子性的特殊程序，执行过程不可中断，运行时间短且调用频繁

• 内核与非内核:

  • 内核是操作系统最核心、最基本的部分，由一系列运行在内核态的程序组成

  • 非内核功能如Ubuntu、CentOS等Linux发行版主要实现的是非内核部分

4.2 大内核（宏内核）

• 定义: 将所有操作系统功能（包括进程管理、存储器管理、设备管理等）都包含在内核中

• 运行模式: 所有内核功能都运行在内核态

• 特点:

  • 优点: 性能高，应用程序请求服务时CPU状态转换次数少

  • 缺点: 内核代码庞大，结构混乱，难以维护

• 典型系统: Linux、UNIX等

4.3 微内核

• 定义: 只保留与硬件关系最紧密的功能（时钟管理、中断处理、原语）在内核中

• 运行模式:

  • 内核功能运行在内核态

  • 其他功能（如进程管理、存储管理等）运行在用户态

• 特点:

  • 优点: 内核功能少，结构清晰，方便维护

  • 缺点: 需要频繁在核心态和用户态之间切换，性能较低

• 典型系统: Windows NT等

• 性能影响:

  • 服务请求涉及多个模块时，每个模块访问内核都需要CPU状态转换

  • 例如同时涉及进程管理、存储管理、设备管理的请求，需要6次状态转换（相比大内核只需2次）

4.4 最新结构大总结

五、引导

操作系统引导：指计算机开机时使操作系统运行起来的过程

5.1 磁盘相关数据

• 初始状态：新磁盘内部为空，类似空钱包需要安装操作系统后才能使用

• MBR结构:

  • 位置: 磁盘开头区域

  • 组成:

    • 磁盘引导程序：负责后续引导过程

    • 分区表：记录各分区空间大小和地址范围的数据结构

  • 分区示例: 常见的C/D/E/F盘划分

• 活动分区:

  • 定义: 安装了操作系统并用于启动的分区(通常为C盘)

  • 内部结构:

    • PBR(分区引导记录)：负责找到启动管理器

    • 根目录：包含操作系统文件和文件夹

5.2 操作系统引导过程

• 硬件基础:

  • 主存组成: RAM(易失性) + ROM(非易失性)

  • BIOS存储: 存储在主板ROM芯片中的基本输入输出系统

• 四步引导流程:

  • ROM引导：CPU从固定地址执行ROM引导程序(自举程序)，先进行硬件自检(检查磁盘、内存等)

  • 读取MBR：将磁盘第一块(MBR)读入内存，执行磁盘引导程序并扫描分区表

  • 读取PBR：从活动分区读取分区引导记录(PBR)，执行PBR中的程序

  • 启动管理器：从根目录找到并执行启动管理器，完成操作系统初始化(开机转圈圈阶段)

• 关键程序链: ROM引导程序 → 磁盘引导程序 → PBR程序 → 启动管理器

• 数据流向: ROM → MBR → PBR → 根目录文件

5.3 应用案例

• 例题:Windows操作系统文件夹

  • 实践验证:

    • 路径: C盘Windows文件夹下的Boot文件夹

    • 内容: 包含操作系统初始化程序(启动管理器)

    • 观察建议: 可自行查看但不要随意修改

  • 启动管理器特征:

    • 位于系统根目录下的深层路径

    • 包含多个与启动相关的配置文件和程序

    • 实际开机过程会按顺序调用这些文件

六、虚拟机

6.1 传统计算机

• 架构特点：一台物理机器上只能运行一个操作系统，操作系统之上运行各种用户进程

• 资源利用问题：在商业化环境中会导致硬件资源利用率不足，例如高性能服务器只能运行单一操作系统

• 安全隐患：不同应用（如游戏服务器）运行在同一操作系统上会相互争夺资源并产生安全风险

• 解决方案缺陷：将应用迁移到另一台物理机器虽能隔离风险，但会造成硬件资源浪费

6.2 虚拟机

6.2.1 虚拟机的定义

• 核心概念：使用虚拟化技术将一台物理机器虚拟化为多台虚拟机器（VM），每台VM可独立运行操作系统

• 商业价值：解决传统架构的资源浪费问题，允许单个高性能服务器同时安全运行多个隔离环境

6.2.2 虚拟机管理程序

• 术语说明：虚拟机管理程序（Virtual Machine Monitor, VMM）又称Hypervisor或虚拟机监控程序

• 资源分配原理：

  • CPU通过时间片划分模拟多处理器

  • 磁盘和内存通过空间划分分配给各VM

  • 类似传统OS的资源分配方式，但虚拟化层级更深

• 两类虚拟机管理程序

  

  • 两类虚拟机管理程序的对比