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OS概述威尼斯wns.9778官网活动:

文章作者:计算机教程 上传时间:2019-12-10

定义操作系统

1.操作系统(operating system):是管理计算机硬件的一个程序,它同时作为用户和硬件的中间层,为应用程序提供了基础。

2.计算机系统可大致划分为四个部件:硬件、操作系统、应用程序(application programs)、用户 。

3.硬件包括:中央处理器(cpu)、存储器(memory)和输入输出(I/O)设备。操作系统控制并协调多个用户的多道程序。

4.从计算机的视角来说,操作系统的的工作(作用):资源管理、程序控制。

5.操作系统的功能:进程管理、内存管理、存储管理、I/O、保护/安全。

    进程:创建、删除、挂起、重启进程;提供进程的同步、通信、死锁机制。

    内存:记录内哪部分正在使用、被谁使用;决定哪些进程可进入内存;分配和释放内存空间。

    存储:创建/删除文件,大容量外存(算法)

 

操作系统组织

1.计算机用于启动的初始化程序被称作引导程序,它被存储在只读存储器(ROM)中,也就是常说的固件。它初始化系统中的所有部分。

2.事件的发生通常通过硬件或软件的中断(interrupt)来触发。

硬件可能在任何时候通过向 CPU 发送一个信号触发中断,该信号通常经由总线传递。

软件可能通过执行名为系统调用的特殊指令来触发中断。

3.计算机程序必须在主/内存(RAM)中执行。主内存是 CPU 能直接访问的唯一的大容量存储,它通常由被称作动态随机访问存储器(DRAM)的半导体器件实现。

4.主存是易失存储,当电源关闭或其它问题出现时,其内容会丢失。因此多数计算机系统提供了二级存储作为主存的扩展,二级存储设备通常是磁盘

5.存储设备层次:寄存器-高速缓存(cache)- 主/内存 - 电子磁盘 - 磁盘

  • 光盘 - 磁带

操作系统做什么

 


 

1. 计算机系统有4个组成部分:计算机硬件,操作系统,系统程序与应用程序和用户。 

 

  操作系统的组成部分:内核为资源(特别是内存、处理器和I/O设备)提供了最低层次的抽象层。它包括(但不限于)以下组件

  CPU管理器、内存管理器、文件系统、设备管理器

 

 

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2. 什么是操作系统?(不同观点)

  • 控制程序----操作系统控制和协调不同用户的各种应用程序之间的硬件使用。(操作系统是管理计算机硬件的程序,为应用程序提供基础,充当计算机硬件和计算机用户的中介)
  • 资源管理器(资源分配器)----操作系统管理计算机的资源,使各种应用程序和用户能够有效和公平地操作计算机系统。
  • 扩展机(虚拟机)----操作系统抽象了计算机硬件,为用户提供了友好的界面。
  • 没有通用的可接受定义-----操作系统的存在是因为它们是解决创建可用计算系统问题的合理方法。

 

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计算机系统体系结构

1.多处理器系统:也被称作并行系统紧耦合系统有以下三个主要优点:

    1)增加了吞吐量

    2)性价比、资源利用率高:相比多个单处理器系统,因为多处理器系统可以共享外围设备、大容量存储器和电源,因此花费更少。

    3)增加可靠性:单个处理器出现故障只会减缓系统而不会导致系统终止。根据存活硬件均衡提供服务的能力被称作故障弱化(适度退化)。有些系统具有容错能力,当任何一个单件出错时,系统能够继续运行。

2.多处理器系统主要有两种类型

    1)非对称多处理器:每个处理器被赋予一定特殊作业,一个主处理器用于控制系统,其它的处理器要么从主处理器获取信息,要么执行预定义的作业。

    2)对称多处理器:每个处理器均可执行操作系统中的所有作业,处理器之间不存在主从关系。

3.多道程序:通过组织作业(代码或数据)增加了CPU 的利用率,让CPU无论何时均有一个作业在执行。(单任务有IO就会CPU空闲)

4.分时/多工:分时是多道程序在逻辑上的扩展,CPU在多个程序间跳转执行,因为跳转速度很快,对于用户而言就可以与各个同时运行的程序交互。分时需要交互式的计算机系统,用户和系统之间应该可以直接交流,且响应时间应当足够短。

5.一个被装入主存并执行的程序被称作进程。分时和多道程序需要内存中同时保持多个作业,因为内存通常不足以同时容纳这些作业,所以它们在执行前被存放在硬盘的作业池/缓冲池(job pool)中,它容纳了所有等待分配内存的进程。

6.如果多个作业因为主存空间不足而无法同时装载,那么系统要在作业间进行 作业调度

7.在分时系统中,操作系统必须保证合理的响应时间,这一点有时通过进程在主存和硬盘之间的 交换完成。一个更普遍的方式是 虚拟内存,它使用户可以运行远大于物理内存的程序。

3.操作系统的目标

  • 执行用户程序,更容易地解决用户问题。
  • 使计算机系统让用户使用方便。
  • 有效地使用计算机硬件。

 

4.定义操作系统

  • 一个比较公认的定义是: 操作系统是一直运行在计算机上的程序(通常称为内核),其他程序则为系统程序和应用程序。

 


 

操作系统运行模式

1.为了保证操作系统程序正确执行,我们需要区分系统程序段和用户程序段。因此设置了两个独立的操作模式用户模式内核模式。计算机硬件中需要加入一个模式位用于说明当前的模式为内核(0)还是用户(1)。

    1)在系统启动时,硬件系统处于内核模式。之后操作系统被加载并且在用户模式中执行用户应用。

    2)硬件只允许特权指令在内核模式中运行。一旦系统调用被执行,它将被硬件视为一个软中断,中断向量将被传递给系统内部的一个服务程序,并且模式位切换至内核模式。

计算机系统组织


 

 

  1. 计算机系统的操作
  • 现代通用计算机系统由一个或多个CPU和若干设备控制器通过共同的总线相连而成。

 

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引导程序:通常位于ROM或者EEPROM,称为计算机硬件中的固件。用来初始化系统的所有部分(CPU寄存器,设备控制器和内存)。

 

 中断:硬件可随时通过系统总线向CPU发出信号,出发中断。软件通过系统调用(或者其他特别操作)触发中断。

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中断处理程序:发出中断请求的那个程序。

 

指针表:通常位于低地址内存(前100左右的位置),包含各种设备的中断处理子程序的地址。这种地址的数组或中断向量可通过唯一设备号来索引,以提供设备的中断处理子程序的地址。

中断处理程序需要修改处理器状态,如修改寄存器的值,以明确保存当前状态并在返回之前恢复状态。处理中断之后,保存的返回地址被装入程序计数器,中断程序重新开始。

 

  1. 存储结构
  • 内存是处理器可以直接访问的唯一的大容量存储区域。它通常被称为动态随机访问内存

 

一个典型指令执行周期如下:

 

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  • 主存:只有CPU可以直接访问的大型存储介质。
  • 辅存:非易失性大存储容量的主存储器的扩展——磁盘(绝大多数程序(比如:QQ、浏览器)都保存在磁盘上,直到运行程序时、才装入内存)
  • 磁盘:最常用的辅存。磁盘表面逻辑上划分为磁道,再细分为扇区。磁盘控制器决定设备和计算机之间的逻辑交互。

 

7.I/O结构

  • 设备控制器连接一个或多个设备和CPU。例如SCSI(small computer system interface)可以连接7个或更多的设备。设备控制器维护一定量的本地缓冲存储和一组特定用途的寄存器,负责在其所控制的外部设备和本地缓冲存储之间进行数据传递。通常操作系统为每个设备控制器提供一个设备驱动,用来理解设备控制器,并提供一个设备与其余操作系统的统一接口。

 

I/O操作如下所示:

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   如果是读操作,返回的可能是数据或者数据的指针,如果是其他操作,返回的可能是状态信息。

  • 除此,还有DMA(direct memory access)的I/O设备,在DMA中设置好缓冲、指针和计数器后,设备控制器能在本地缓冲和内存之间传送整块数据,无需CPU干涉。
  • 每块只产生一个中断,告知设备驱动程序操作已完成(低速设备每个字节产生一个中断。

 


 

 计算机系统体系结构


 

 

 

 8. 单处理系统:由一个主CPU执行一个通用指令集,包括来自于用户进程的指令;绝大多数系统还包括其他特定目的的处理器,可能以专用设备处理器的形式出现,也可能以通用处理器的形式出现。  所有专用处理器运行一个受限的指令集,不运行用户进程,有时由操作系统管理,操作系统将任务信息发送给这些处理器。

 

9.多处理器系统,也成为并行系统(parallel system)或紧耦合系统(tightly coupled system),这类系统含有多个通信CPU,共享计算机总线。其优点如下:

  • 增加吞吐量:通过增加处理器的数量,但同时会多出管理多个CPU的开销。
  • 规模经济:通过共享外设,存储和电源来节省资金。
  • 增加可靠性: 单个处理器失灵不会导致整个系统停止。

 

10.  多处理器系统主要有两种类型:非对称多处理(asymmetric multiprocessing)和对称多处理(symmetric multiprocessing,SMP)。

  • 非对称多处理(asymmetric multiprocessing):每个处理器都有各自特定的任务,一个主处理器控制系统,其他处理器或者从主处理器要任务,或者做预先定义的任务。这种称为主-从关系。
  • 对称多处理(symmetric multiprocessing,SMP):每个处理器都要完成操作系统中的所有任务,所有处理器对等,处理器之间没有主-从关系。好处是N个CPU可以同时运行,并且不影响效率。

 

11. 集群系统

  •    定义:与多处理器系统一样,集群系统将多个CPU集中起来完成计算任务。然而,集群系统与多处理器系统不同,它是由两个或多个独立的系统耦合起来的。常用的方式是共享存储并通过局域网连接。也分对称和非对称两种。通常用来提供高可用性服务。

 

  • 非对称集群:一台机器处于热备份模式,一台运行应用程序,热备份主机监视现役服务器,如果该服务器失效,那么切换
  • 对称集群:多台主机都运行应用程序,互相监视,
  • 并行集群:允许多个主机访问共享存储上的相同数据

 


 操作系统结构


 

 

 

 12. 操作系统最重要的一点是要有多道程序处理能力。多道程序设计通过组织作业(编码或数据)使CPU总有一个作业在执行,从而提高了CPU的利用率。

 

进程管理

1.一个单线程的进程有一个程序计数器指定下一条要执行的指令,多线程的进程有多个程序计数器。

2.一个进程要完成任务需要如下资源:CPU,存储器,文件和 I/O 设备。


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