操作系统—基本概念

操作系统的概念

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分配，以提供给用户和其他软件方便的接口和环境的软件集合。

操作系统的四个特征：并发、共享、虚拟、异步

1. 并发性(Concurrence)：并发是指两个或多个时间在同一时间间隔内发生。操作系统的并发性是指操作系统中同时存在多个运行着的程序。引入进程的目的是使程序能够并发执行。并发和共享是操作系统最基本的两个特征。
   并发（同一时间间隔），并行（同一时刻）。并发是指一段时间内，宏观上有多道程序在同时执行。并行是指在每一时刻，单处理器的环境下实际仅能有一道程序执行。并行性需要硬件的条件支撑，例如：多流程或是多处理器

2. 共享(Sharing)：资源共享即共享，是指系统中的资源可供内存中的多个并发执行的进程共同使用，可以分为两种资源共享方式：
   1：互斥共享方式：一段时间内仅允许一个进程访问该资源，这样的资源被称为临界资源或是独占资源，例如打印机等等
   2：同时访问方式：一段时间内允许多个进程访问该资源，只是一个请求分几个时间片间隔完成的效果和连续完成的效果相同，例如磁盘设备等等

3. 虚拟(Virtual)：指把一个物理上的实体变为若干个逻辑上的对应物，有时分复用技术：处理器的分时共享，空分复用技术：虚拟存储器

4. 异步(Asynchronism)：在多道程序环境下，允许多个程序并发执行，但是由于资源有限，进程的执行不一定是连贯到底，而是走走停停。

直观的理解操作系统

用户是雇主，操作系统是工人，计算机是机器(由处理器、存储器、设备、文件等几个部件构成)

处理器管理：在多道程序的情况下，处理器的分配和运行都以进程(或线程)为基本单位，因而对处理器的管理可以分配为对进程的管理
存储器管理：包括内存分配、地址映射、内存保护等等
文件管理：计算机中的信息都是以文件的形式存在的，操作系统中负责文件管理的部分被称为文件系统，文件管理包括文件存储空间的管理、目录管理和读写保护等等
设备管理：主要任务是完成用户的I/O请求，包括缓冲管理、设备分配、虚拟设备等等

操作系统的体系结构：大内核与微内核

大内核：将操作系统的主要功能模块都作为一个紧密联系的整体运行在核心态，从而为应用提供高性能的系统服务，各管理模块之间共享信息，相互交互，性能优势非常明显，更高效

微内核：有效的分离了内核与服务，服务与服务，使得接口更清晰，维护代价大大降低，各部分可以独立优化与演进，保证了操作系统的可靠性

操作系统的运行机制

在计算机系统中，CPU通常执行两种不同性质的程序：1：操作系统内核程序；2：用户程序或是系统之外的应用程序。前者是后者的管理者。操作系统分为用户态和核心态以区分这两种程序。

核心态

1：与硬件关联紧密的模块：时钟管理、中断处理、设备驱动等
2：运行频率较高的程序：进程管理、存储器管理、设备管理等
这两部分构成了操作系统的内核，内核是计算机上的底层软件，而这部分的软件也就工作在核心态

操作系统的系统内核

主要包含四个方面：

• 时钟管理：计时、通过时钟中断实现进程切换
• 中断机制：提高多道程序运行环境中的CPU使用率（中断机制中只有一小部分属于内核）
• 原语：底层可被调用的公用小程序（定义方法：关闭中断，让所有动作一气呵成，再打开中断）
• 系统控制的数据结构及处理：为实现有效的管理定义的一些基本操作：核心态的三种管理方式

综上：核心态指的是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。

中断和异常

操作系统在发展的过程中，就是不断地提高资源利用率的过程，那就是说在程序并未使用某种资源时，把它对那种资源的占有权释放，这个行为就要通过中断来实现。

中断（外中断）

指来自CPU执行指令以外的事件发生，如：设备发出的I/O结束中断，表示设备输入/输出已结束。这类中断与当前程序无关，来源于本身以外。

异常（内中断/陷入）

指源自于CPU执行指令内部的事件，如：程序自身的非法操作码、地址越界、算术溢出、或是专门的陷入指令。对异常的处理一般要依赖于当前程序的运行现场，且异常不能被屏蔽，必须立即处理。

系统调用

所谓系统调用指的是用户在程序种地啊用操作系统所提供的一些子功能，大致分为一下几类：

• 设备管理：设备的请求与释放
• 文件管理：文件的读写、创建。删除等
• 进程控制：进程的创建、删除、撤销、阻塞等
• 进程通信：进程之间的消息传递和信号传递
• 内存管理：完成内存的分配，回收等

综上：操作系统的运行环境可以理解为：用户通过操作系统运行上层程序，而上层程序依赖于操作系统的底层管理，当需要底层的服务支持时，系统通过硬件中断机制进入核心态，运行管理程序。