作業系統的基本概念
作業系統自下而上可大致分為四個部分：硬體、作業系統、應用程式和使用者。
作業系統的特徵：
1.併發。指兩個或多個事件在同一時間間隔內發生。注意 同一時間間隔（併發）和同一時刻（並行）的區別。
2.共享。資源共享即共享，是指系統中的資源可供記憶體中多個併發執行的程序共同使用。共享可分為以下兩種資源共享方式
（1）互斥資源共享規定在一段時間內只允許 乙個程序訪問該資源。
（2）同時訪問方式。允許在一段時間內由多個程序「同時」訪問。巨集觀上同時，微觀上分時共享。
3.虛擬。是指吧乙個物理上的實體變為若干邏輯上的對應物。
4.非同步。多道程式環境允許多個程式併發執行，但由於資源有限，程序的執行並不是一貫到底的，而是走走停停的，它以不可預知的速度向前推進，這就是程序的非同步性。
併發和共享是作業系統兩個最基本的特徵，兩者之間互為存在條件。
作業系統作為計算機系統資源的管理者包括（1）處理機管理 （2）儲存器管理 （3）檔案管理 （4）裝置管理 。
作業系統提供的介面主要分為兩類：一類是命令介面，使用者利用這些操作命令來組織和控制作業執行；另一類是程式介面，程式設計人員可以使用它們來請求作業系統服務。
（1）命令介面
使用命令介面進行作業控制的主要方式有兩種，即聯機控制方式和離線控制方式。按作業控制方式的不同，可將命令介面分為聯機命令介面和離線命令介面。
聯機（互動式）命令介面可以這樣理解：「雇主」說一句話，「工人」做一件事，並作出反饋，這就強調了互動性。
離線（批處理）命令介面可以這樣理解：「雇主」把要「工人」做的事紫萼在清單上，「工人」按照清單命令逐條完成這些事。這就是批處理。
（2）程式介面
程式介面由一組系統呼叫命令（簡稱系統呼叫，也稱廣義指令）組成。使用者通過在程式中使用這些系統呼叫命令來請作業系統為其提供服務。
gui圖形介面不是作業系統的一部分，但圖形介面所呼叫的系統呼叫命令是作業系統的一部分。
shell是命令解析器，屬於命令介面。
計算機開機後，作業系統最終被載入到ram。
作業系統的分類
單道批處理系統的主要特徵：（1）自動性 （2）順序性 （3）單道性 。
多道批處理系統的主要特徵：（1）多道 （2）巨集觀上並行 （3）微觀上序列 。缺點：使用者相應時間較長；不提供人機互動能力，使用者既不能了解自己的程式運**況，又不能控制計算機。
引入多道程式設計後，程式的執行就失去了封閉性和順序性。
在作業系統中採用分時技術就形成了分時系統。所謂分時技術，是指把處理器的執行時間分成很短的時間片，按時間片輪流把處理器分配給各聯機作業使用。分時系統的主要特徵如下：（1）同時性 （2）互動性 （3）獨立性 （4）及時性 。
為了能在某個時間限制內完成某些緊急任務而不需要時間片排隊，誕生了實時作業系統。這裡的時間限制可以分為兩種情況：若某個動作必須絕對地在規定的時刻（或規定的時間範圍）發生，則稱為硬實時系統。若能接受偶爾違反時間規定且不會引起任何永久性的損害，則成為軟實時系統。實時作業系統的主要特點是及時性和可靠性。
提高單機資源利用率的關鍵技術是多道程式設計技術。
中斷技術使得多道批處理系統和 i/o 裝置可與 cpu並行工作。
作業系統的執行機制
特權指令是指計算機中不允許使用者直接使用的指令，如 i/o 指令、置中斷指令等。在具體實現上，將 cpu 的狀態劃分為使用者態（目態）和核心態（管態、核心態）。cpu 處於核心態，此時 cpu 可以執行特權指令；cpu 處於使用者態，此時只能執行非特權指令。
一些與硬體關聯較緊密的模組，如時鐘管理、中斷處理、裝置驅動等處於最底層。
大多數作業系統核心包括四方面的內容：
1.時鐘管理
在計算機的各種部件中，時鐘是最關鍵的裝置。時鐘的第一功能是計時，作業系統需要通過時鐘管理，向使用者提供標準的系統時間。通過時鐘中斷的管理，可以實現程序的切換。系統管理的方方面面無不依賴於時鐘。
2.中斷機制
引入中斷機制的初衷是提高多道程式執行環境中 cpu 的利用率，而且主要是針對外部裝置的。後來逐步發展，形成了多種型別，成為作業系統各項操作的基礎。例如，鍵盤或滑鼠資訊的輸入、程序的管理和排程、系統功能的呼叫、裝置驅動、檔案訪問等，無不依賴於中斷機制。可以說現代作業系統是靠中斷驅動的軟體。
3.原語
特點如下：
（1）處於作業系統的最低層，是最接近硬體的部分。
（2）這些程式的執行具有原子性，其操作只能一氣呵成。
（3）這些程式的執行時間都較短，而且呼叫頻繁。
通常把具有這些特點的程式稱為原語。定義原語的直接方法是關閉中斷，讓其所有動作不可分割地完成後再開啟中斷。
系統中的裝置驅動、cpu 切換、程序通訊等功能中的部分操作都可定義為原語，使它們成為核心的組成部分。
4.系統控制的資料結構及處理
常見的操作有以下三種：
（1）程序管理。程序狀態管理、程序排程和分派、建立與撤銷程序控制塊等。
（2）儲存器管理。儲存器的空間分配和**、記憶體資訊保護程式、**對換程式等。
（3）裝置管理。緩衝區管理、裝置分配和**等。
中斷也稱外中斷，指來自 cpu 執行指令以外的事件發生，如裝置發出的 i/o 結束中斷，時鐘中斷。異常也稱內中斷、例外或陷入，指源自 cpu 執行指令內部的事件，如程式的非法操作碼、位址越界、算術溢位、虛存系統的缺頁及專門的陷入指令等引起的事件。
系統呼叫按功能大致可分為如下幾類：
使用者程式可以執行陷入指令（又稱訪管指令或 trap 指令）來發起系統呼叫，請求作業系統提供服務。使用者執行「陷入指令」，相當於把 cpu 的使用權主動交給作業系統核心程式（cpu 狀態會從使用者態進入核心態）。訪管指令是在使用者態使用的，所以它不可能是特權指令。
由使用者態轉向核心態的例子：
使用者程式要求作業系統的服務，即系統呼叫。
發生一次中斷。
使用者程式中產生乙個錯誤狀態。
使用者程式中企圖執行一條特權指令。
從核心態向使用者態由一條指令實現，這條指令也是特權指令，一般是中斷返回指令。
由使用者態進入核心態，不僅狀態需要切換，而且所用的堆疊也可能需要由使用者堆疊切換為系統堆疊，但這個系統堆疊也是屬於該程序的。
執行系統呼叫過程的順序是：傳遞系統呼叫引數 → 執行陷入命令 → 執行相應的服務程式 → 返回使用者態
子程式呼叫只需要儲存程式斷點，即該指令的下一條指令的位址；中斷呼叫子程式不僅要儲存斷點（pc 的內容），還要儲存程式狀態字暫存器（psw）的內容。
外部中斷處理過程，pc 值由中斷隱指令自動儲存，而通用暫存器內容由作業系統儲存。
作業系統的體系結構
大核心系統將作業系統的主要功能模組都作為乙個緊密聯絡的整體執行在核心態，從而為應用提供高效能的系統服務。微核心結構有效地分離了核心與服務、服務與服務，使得它們之間的介面更加清晰，維護的代價大大降低，各部分可以獨立地優化和演進，從而保證了作業系統的可靠性。
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