第二章 操作系統(tǒng)
軟件是為了使用戶使用并充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)性能和效率的各種程序和數(shù)據(jù)的統(tǒng)稱。 軟件又分為系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。系統(tǒng)軟件是所有用戶使用的為了解決用戶使用計(jì)算機(jī)而編制的程序。 應(yīng)用軟件是為解決某特定的問題而編制的程序。 操作系統(tǒng)是硬件與所有其他軟件之間的接口，而且是整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的控制和管理中心。
操作系統(tǒng)兩個(gè)重要作用：
1 管理系統(tǒng)中各種資源。所有硬件部分稱為硬件資源。而程序和數(shù)據(jù)等信息成為軟件資源。
2 為用戶提供良好的界面。
操作系統(tǒng)的特征：1 并發(fā)性。是在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中同時(shí)存在多個(gè)程序，宏觀上看，這些程序是同時(shí)向前推進(jìn)的。在單CPU上，這些并發(fā)執(zhí)行的程序是交替在CPU上運(yùn)行的。 程序并發(fā)性體現(xiàn)在兩個(gè)方面：①用戶程序與用戶程序之間的并發(fā)執(zhí)行。②用戶程序與操作系統(tǒng)程序之間的并發(fā)。 2 共享性。資源共享是操作系統(tǒng)程序和多個(gè)用戶程序共用系統(tǒng)中的資源。 3 隨機(jī)性。隨機(jī)性指：操作系統(tǒng)的運(yùn)行是在一個(gè)隨機(jī)的環(huán)境中，一個(gè)設(shè)備可能在任何時(shí)間向處理機(jī)發(fā)出中斷請(qǐng)求，系統(tǒng)無法知道運(yùn)行著的程序會(huì)在什么時(shí)候做什么事情。 沒有任何軟件支持的計(jì)算機(jī)稱為裸機(jī)。 操作系統(tǒng)是硬件的第一層軟件擴(kuò)充。
操作系統(tǒng)的功能：
1 進(jìn)程管理：主要是對(duì)處理機(jī)進(jìn)行處理。隨著系統(tǒng)對(duì)處理機(jī)管理方法不同，其提供的作業(yè)處理方式也不同，例如有批處理方式，分時(shí)方式和實(shí)時(shí)方式。 2 存儲(chǔ)管理：主要是管理內(nèi)存資源。當(dāng)內(nèi)存不夠的時(shí)候，解決內(nèi)存擴(kuò)充問題，就是內(nèi)存和外存結(jié)合起來的管理，為用戶提供一個(gè)容量比實(shí)際內(nèi)存大的多的虛擬存儲(chǔ)器，這是操作系統(tǒng)的存儲(chǔ)功能的重要任務(wù)。 3 文件管理。系統(tǒng)中的信息資源是以文件的形式存放在外存儲(chǔ)器上的。 4 設(shè)備管理。設(shè)備管理是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中除了CPU和內(nèi)存外的所有輸入，輸出設(shè)備的管理。 5 用戶和操作系統(tǒng)的接口。
操作系統(tǒng)的分類： 1 批處理操作系統(tǒng)。 兩個(gè)特點(diǎn)：一是多道，一是成批。多道是系統(tǒng)內(nèi)同時(shí)容納多個(gè)作業(yè)，這些作業(yè)存放在外存中 ，組成一個(gè)后備作業(yè)序列，系統(tǒng)按一定的調(diào)度原則每次從后備作業(yè)中選取一個(gè)或多個(gè)作業(yè)放入內(nèi)存中運(yùn)行，運(yùn)行作業(yè)結(jié)束并退出運(yùn)行和后備作業(yè)進(jìn)行運(yùn)行均由系統(tǒng)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)，從而在系統(tǒng)中形成一個(gè)自動(dòng)轉(zhuǎn)接的連續(xù)的作業(yè)流。而成批是系統(tǒng)運(yùn)行中不允許用戶和他的作業(yè)發(fā)生交互關(guān)系。 批處理系統(tǒng)追求的目標(biāo)是提高系統(tǒng)資源利用率和大作業(yè)吞吐量以及作業(yè)流程的自動(dòng)化。
2 分時(shí)系統(tǒng)。 分時(shí)系統(tǒng)允許多個(gè)用戶同時(shí)連機(jī)使用計(jì)算機(jī)。
操作系統(tǒng)采用時(shí)間片輪轉(zhuǎn)的方式處理每個(gè)用戶的服務(wù)請(qǐng)求。
特點(diǎn)：①多路性。②交互性。又叫交互操作系統(tǒng)。③獨(dú)立性。④及時(shí)性。分時(shí)系統(tǒng)性能的主要指標(biāo)之一的是響應(yīng)時(shí)間，是從終端發(fā)出命令到系統(tǒng)與應(yīng)答的時(shí)間。 通常計(jì)算機(jī)系統(tǒng)采用批處理和分時(shí)處理方式來為用戶服務(wù)。時(shí)間要求不強(qiáng)的作業(yè)放入后臺(tái)批處理處理，需要頻繁交互的作業(yè)在前臺(tái)分時(shí)處理。
3 實(shí)時(shí)系統(tǒng)。 系統(tǒng)能夠及時(shí)響應(yīng)隨機(jī)發(fā)生的外部事件，并在嚴(yán)格的時(shí)間范圍內(nèi)完成對(duì)該事件的處理。實(shí)時(shí)系統(tǒng)作為一個(gè)特定應(yīng)用中的控制設(shè)備來使用。 分為兩類：①實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)。②時(shí)信息處理系統(tǒng)。特點(diǎn)：及時(shí)響應(yīng)和高可靠性。
4 個(gè)人計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)。個(gè)人計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)是一個(gè)聯(lián)機(jī)交互的單用戶操作系統(tǒng)，它提供的聯(lián)機(jī)交互功能與分時(shí)系統(tǒng)所提供的功能很相似。 5 網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)。 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)是通過通信設(shè)施將地理上分散的具有自治功能的多個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)互連起來，實(shí)現(xiàn)信息交換，資源共享，互操作和協(xié)作處理的系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)就是在原來的各自計(jì)算機(jī)系統(tǒng)操作上，按照網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的各個(gè)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行開發(fā)，使之包括網(wǎng)絡(luò)管理，通信，資源共享，系統(tǒng)安全和多種網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用服務(wù)的操作系統(tǒng)。 6 分布式操作系統(tǒng)。
研究操作系統(tǒng)的幾種觀點(diǎn)：1 從資源管理觀點(diǎn)：把操作系統(tǒng)分為處理機(jī)管理，存儲(chǔ)管理，設(shè)備管理，文件管理，用戶與操作系統(tǒng)的接口等5個(gè)主要部分。2 虛機(jī)器觀點(diǎn)：用戶不再直接使用硬件機(jī)器，而是通過操作系統(tǒng)來控制和使用計(jì)算機(jī)，從而把計(jì)算機(jī)擴(kuò)充為功能更強(qiáng)，使用更加方便的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。操作系統(tǒng)的全部功能，稱為操作系統(tǒng)虛機(jī)器。
操作系統(tǒng)所涉及的硬件環(huán)境：1 特權(quán)指令與處理機(jī)狀態(tài)。特權(quán)指令和非特權(quán)指令。特權(quán)指令是只允許操作系統(tǒng)使用，而不允許一般用戶使用的指令。非特權(quán)指令之處的指令稱為非特權(quán)指令，非特權(quán)指令的執(zhí)行不影響其他用戶以及系統(tǒng)。 2 CPU狀態(tài)。 CPU交替執(zhí)行操作系統(tǒng)程序和用戶程序。 CPU的狀態(tài)屬于程序狀態(tài)字PSW的一位。大多數(shù)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)將CPU執(zhí)行狀態(tài)分為管態(tài)和目態(tài)。 管態(tài)又叫特權(quán)態(tài)，系統(tǒng)態(tài)或核心態(tài)。CPU在管態(tài)下可以執(zhí)行指令系統(tǒng)的全集。通常，操作系統(tǒng)在管態(tài)下運(yùn)行。 目態(tài)又叫常態(tài)或用戶態(tài)。機(jī)器處于目態(tài)時(shí)，程序只能執(zhí)行非特權(quán)指令。用戶程序只能在目態(tài)下運(yùn)行，如果用戶程序在目態(tài)下執(zhí)行特權(quán)指令，硬件將發(fā)生中斷，由操作系統(tǒng)獲得控制，特權(quán)指令執(zhí)行被禁止，這樣可以防止用戶程序有意或無意的破壞系統(tǒng)。從目態(tài)轉(zhuǎn)換為管態(tài)的唯一途徑是中斷。從管態(tài)到目態(tài)可以通過修改程序狀態(tài)字來實(shí)現(xiàn)，這將伴隨這由操作系統(tǒng)程序到用戶程序的轉(zhuǎn)換。
中斷機(jī)制：中斷機(jī)制是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的基礎(chǔ)設(shè)施之一，它在系統(tǒng)中起著通信網(wǎng)絡(luò)作用，以協(xié)調(diào)系統(tǒng)對(duì)各種外部事件的響應(yīng)和處理。 中斷是實(shí)現(xiàn)多道程序設(shè)計(jì)的必要條件。 中斷是CPU對(duì)系統(tǒng)發(fā)生的某個(gè)事件作出的一種反應(yīng)。 引起中斷的事件稱為中斷源。中斷源向CPU提出處理的請(qǐng)求稱為中斷請(qǐng)求。發(fā)生中斷時(shí)被打斷程序的暫停點(diǎn)成為斷點(diǎn)。CPU暫停現(xiàn)行程序而轉(zhuǎn)為響應(yīng)中斷請(qǐng)求的過程稱為中斷響應(yīng)。處理中斷源的程序稱為中斷處理程序。CPU執(zhí)行有關(guān)的中斷處理程序稱為中斷處理。而返回?cái)帱c(diǎn)的過程稱為中斷返回。 中斷的實(shí)現(xiàn)實(shí)行軟件和硬件綜合完成，硬件部分叫做硬件裝置，軟件部分成為軟件處理程序。
中斷裝置和中斷處理程序統(tǒng)稱為中斷系統(tǒng)。
一般將中斷源分為兩大類：強(qiáng)迫性中斷和自愿性中斷。
強(qiáng)迫性中斷是正在運(yùn)行的程序所不期望的，它們是或發(fā)生，何時(shí)發(fā)生事先無法預(yù)料，因而運(yùn)行程序可以在任意位置處被打斷。
中斷類型：1 輸入輸出中斷:這是來自通道或外部設(shè)備的中斷。2 硬件故障中斷 3 時(shí)鐘中斷，如硬件時(shí)鐘到時(shí)。 4 控制臺(tái)中斷，如系統(tǒng)控制員通過控制臺(tái)發(fā)出命令。 5 程序性中斷
自愿性中斷是正在運(yùn)行的程序有意識(shí)安排的，通常是由于程序員在編制程序時(shí)，因要求操作系統(tǒng)提供服務(wù)而有意使用訪管指令或系統(tǒng)調(diào)用，從而導(dǎo)致中斷的，所以又稱其為訪管中斷。 系統(tǒng)為每類中斷設(shè)置一個(gè)中斷處理程序。每個(gè)中斷處理程序都有一個(gè)入口地址PC及其運(yùn)行環(huán)境PSW，它們被稱為中斷向量，保存在內(nèi)存中固定的單元。 中斷響應(yīng)是解決中斷的發(fā)現(xiàn)和接受問題，是由中斷裝置完成的。中斷響應(yīng)是硬件對(duì)中斷請(qǐng)求作出響應(yīng)的過程，包括識(shí)別中斷源，保留現(xiàn)場，引出中斷處理程序等過程。 CPU每執(zhí)行完一條指令，便去掃描中斷寄存器，查詢有無中斷請(qǐng)求。若有中斷請(qǐng)求，則通過交換中斷向量進(jìn)入中斷處理程序，這就是中斷響應(yīng)。
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