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int 汇编指令 是唯一一个可以在用户态 而不可以 在核心态使用的一个特权指令
- 目的是 从用户态陷入到内核态, 并且 传递的参数是在内核态执行的动作
纯硬件 ->操作系统 -> 应用程序(软件) -> 用户
- 用户可以直接沟通操作系统,也可以直接沟通应用程序
- 应用程序可以直接沟通操作系统
- 操作系统直接沟通和控制硬件
- 操作系统概念
- 负责管理协调硬件, 软件等计算机资源的工作
- 为上层应用程序, 用户提供简单易用的服务
- 操作系统是系统软件, 而不是硬件
- 提供的功能
- CPU处理器管理
- 存储器管理
- 文件管理
- 设备管理
- 提供的目标
- 实现对硬件机器的拓展
- 通常把覆盖了软件的机器称为扩充机器, 也称为虚拟机
- 操作系统提供的所有接口都统称为 用户接口 包括三大类:
- 命令接口 : 允许用户 直接使用
- 联机命令接口 : 交互式命令接口, 用户提供一句命令就执行一句命令
- 脱机命令接口 : 批处理命令接口, 用户提供一堆命令 就执行一堆命令
- 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 (程序接口=系统调用)
- 也就是编程开发系统调用接口, 该接口也被称为 广义指令
- GUI : 图像用户接口
- 命令接口 : 允许用户 直接使用
操作系统作为用户和计算机硬件之间的接口,需要向上提供一些简单易用的服务
主要包括: 命令接口, 和程序接口, 其中程序接口由一组系统调用组成
必须使用系统调用来使用系统资源
凡是和资源有关的操作,都必须通过系统调用的方式向操作系统提出服务请求, 由操作系统代为完成,可以保证系统的稳定性和安全性, 防止用户非法操作
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用户接口:
- 命令接口(允许用户直接使用)
- 联机命令接口 : 交互式命令接口, 用户提供一句命令就执行一句命令
- 脱机命令接口 : 批处理命令接口, 用户提供一堆命令 就执行一堆命令
- 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
- 应用程序可以发出系统调用来请求获得操作系统的服务sds
- 命令接口(允许用户直接使用)
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系统调用的相关处理需要在核心态下进行,都是执行一些特权指令才能完成
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系统调用(按功能分类)
- 设备管理: 完成设备 请求/释放/启动 等功能
- 文件管理: 完成文件的 读/写/创建/删除 等功能
- 进程管理: 完成进程的 创建/撤销/阻塞/唤醒 等功能
- 进程通讯: 完成进程之间 信息传递/信号传递 等功能
- 内存管理: 完成内存的 分配/回收 等操作
- 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: 向上提供哭函数. 有时会讲系统调用封装成库函数, 以隐藏系统调用的一些细节,使上层进行系统调用更加方便
- 操作系统: 向上层 提供系统调用
- 传递系统调用参数
- 执行陷入指令
- 执行系统调用相应的服务程序
- 返回用户程序
并发和共享是两个最基本的特征, 两者互为存在条件
操作系统是和程序并发一起诞生的 (多道程序技术)
虚拟性 和 异步性都 以及共享性 依赖于并发性
- 并发性
- 并发性是指计算机系统中同时存在着多个运行着的程序
- 并发 :
指两个或多个事件在同一时间 间隔内发生. 这些事件在宏观上是同时发生的, 但微观上是交替发生的 - 并行:
指两个或多个时间在同一时刻同时发生- 并发是单核, 并行必须是双核以上
- 并发 :
- 并发性是指计算机系统中同时存在着多个运行着的程序
- 共享
- 共享就是 资源共享,
是指系统中的资源可供内存中多个并发执行的程序共同使用 - 资源共享分为两种方式:
- 互斥共享方式:
同一时间段只允许一个进程访问该资源 - 同时共享方式:
允许一个时间段内由多个进程 同时(并行和并发需要区分) 对它们进行访问
- 互斥共享方式:
- 共享就是 资源共享,
- 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
- 使用的是
空分复用技术(虚拟存储技术),和时分复用技术(虚拟处理器) - 没有并发性, 就谈不上虚拟性
- 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, 这就是进程的异步性
- 出现多个进程资源的抢夺和占用时, 进程会阻塞(仅仅是一瞬间), 等待资源可以获得在解除阻塞.
- 只有拥有并发性,才可能会导致异步性
操作系统的发展以及优点,都是解决了上个阶段的主要缺点
- 手工操作阶段
- 打孔机和打孔纸袋
- 主要缺点: 用户独占机, 人机速度矛盾 导致资源利用率极低
- 批处理阶段:
操作系统的雏形- 单道批处理系统: 引入脱机技术/输入技术(磁带), 并监督程序
(这个程序就是操作系统的雏形)负责控制作业的输入,输出主要是 打孔机(外围机) -> 输入磁带 -> 主机(监督程序) -> 输出磁带 ->打孔机- 主要优点:
缓解了一定程度的人机速度矛盾,资源利用率有所提升 - 主要缺点:
内存仅有一道程序运行,结束后进入下一进程, CPU大量时间在空闲等待I/O完成
- 多道批处理系统 : 每次往内存中输入多道程序,操作系统并引入中断,控制各个程序并发执行
- 主要优点:
多道程序并发执行,采用流水线技术, 共享计算机资源,资源利用与大幅提升, CPU和其他资源保持忙碌状态, 系统吞吐量增大 - 主要缺点:
用户响应时间长, 没有人机交互
- 主要优点:
- 单道批处理系统: 引入脱机技术/输入技术(磁带), 并监督程序
- 分时操作系统
- 分时操作系统: 计算机以时间片为单位 轮流为各个用户/作业服务, 各个用户可通过终端与计算机进行交互
- 主要优点:
用户请求可以被即时响应,解决人机交互问题,允许多用户同时使用一台计算机,并且用户对计算机的操作相互独立.感受不到别人的存在. - 主要缺点:
不能优先处理一些紧急任务.操作系统对各个用户/作业都完全公平,循环的为每个用户/服务一个时间片,不区分任务的紧急性
- 实时操作系统
- 在实时操作系统的控制下, 计算机系统接收到外部信号后及时进行处理, 并且 要在严格的时限内处理完 事件
- 主要特点是 及时性和可靠性
- 主要优点:
能够响应一些紧急任务, 某些紧急任务不需要时间片排队 - 实时操作系统分为两种系统:
- 硬实时系统:
必须在绝对严格的规定时间内处理完成 (自动驾驶,导弹控制) - 软实时系统:
能接受偶尔违反时间规定 (12306火车订票系统)
- 硬实时系统:
- 网络操作系统
- 伴随着计算机网络的发展而诞生的
- 能把网络中各个计算机有机的结合起来,实现数据传送等功能, 实现网络中各种资源的共享 和各台计算机之间的通讯.
- 分布式操作系统
- 主要特点是分布性和并行性
- 系统中的各台计算机地位相同, 任何工作都可分布在这些计算机上, 由他们并行, 协同完成这个任务
- 个人计算机操作系统
- windows, macOS, Linux 等
指令: 是处理器(CPU) 能识别,执行的最基本命令
时钟管理, 中断处理, 原语. 都是与硬件关联较为紧密的模块.
对系统资源进行管理的功能 根据内核实现不同,可能是内核功能,也可能不是
- 运行机制
- 两种指令
- 特权指令: 普通用户不可以执行的危险指令, 只有在CPU处于核心态时才可以执行
- 非特权指令 : 所有人都可以执行的普通指令
- 两种处理器状态
用程序状态字寄存器(PSW) 中的某标志位来标识当前处理器处于什么状态.(0,1)- 1.核心态(内核态,管态): 特权指令和非特权指令都可以执行
- 0.用户态(目态): 此时CPU只能执行 非特权指令
- 两种程序
- 内核程序: 操作系统的管理者可以执行的特权指令,运行在核心态
- 应用程序: 为了保证系统能安全运行, 普通应用程序只能执行非特权指令,运行在用户态
- 两种指令
- 操作系统内核 :
底层软件,是OS最基本,最核心的部分- 时钟管理
- 属于内核功能区, 实现计时功能
- 中断管理
- 属于内核区, 负责实现中断机制
- 原语
- SEQ 硬件指令, 是一种特殊的程序,最接近硬件部分, 这种程序运行具有原子性(执行中不可被中断), 运行时间短,调用频繁,主要是设备驱动和CPU状态切换等
- 时钟管理
- 对系统资源进行管理的功能
- 进程管理
- 存储器管理
- 设备管理
- 操作系统的体系结构
- 大内核
- 将操作系统的主要功能模块都作为系统内核, 运行在核心态
- 优点: 高性能, 不需要频繁切换核心态和用户态
- 缺点: 内核代码庞大, 结构混乱, 难以维护
- 微内核
- 只把最基本的功能保留在内核
- 优点: 内核功能少, 结构清晰,方便维护
- 缺点: 需要频繁的在核心态和用户态之间切换, 性能低
- 大内核
- 中断机制的诞生
- 解决串行执行单个任务时利用率低下的问题
- 操作系统(计算机的管理者)引入中断机制,实现多道程序并发执行
- 中断的概念和作用
- 当中断发生时,CPU立即进入核心态
用户态到核心态的切换是通过中断实现的, 并且中断是唯一的途径- 核心态切换到用户态: 通过执行一个特权指令, 将程序状态字(PSW)的标志设置为 用户态
- 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进介入, 开展管理工作. 由于操作系统的管理工作(进程切换,分配I/O设备等) 需要使用 特权指令 ,因此CPU要从用户态转换为核心态. 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
- CPU收到计时器部件发出的中断信号, 切换为核心态对中断进行处理,将权限交给操作系统
- 这时操作系统内核负责对中断信号进行处理, 切换需要执行的进程,然后回到用户态继续执行
- 如果进程发出系统调用(内中断信号), 请求输出, CPU会切换到核心态, 对中断进行处理
- 这个时候,该进程会暂停等待, CPU会切换到下一个进程继续执行
- CPU收到计时器部件发出的中断信号, 切换为核心态对中断进行处理,将权限交给操作系统
- 本质:
发生中断就意味着 操作系统接入,开展管理工作
- 中断的分类
- 信号的来源决定了是内中断还是外中断.
- 内中断 (也称异常, 例外, 陷入)
- 中断来源:来自CPU内部,与当前执行的指令有关
- 自愿中断-指令中断: 系统调用使用的访管指令(陷入指令,trap指令)
- 强迫中断:
- 硬件故障 : 例如缺页
- 软件中断: 除数为0
- 陷阱,陷入(trap) : 有意为之的异常, 如系统中断
- 故障(fault): 由错误条件引起的, 可能会被故障处理程序修复, 如缺页
- 终止(abort): 不可恢复的致命错误,程序直接终止
- 外中断 (硬件中断)
- 中断来源:来自CPU外部,与当前执行的指令无关
- 外设请求: 例如 I/O 操作 完成发出的中断信号
- 人工干预: 用户强行终止一个进程
- 外中断的处理过程
- 每条指令结束后, CPU检查是否有外部中断信号
- 若有外部中断信号, 则需要保护被中断进程的CPI环境
- 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, 返回原进程继续向下执行