第二章 操作系統

　　軟件是為了使用戶使用并充分發揮計算機性能和效率的各種程序和數據的統稱。 軟件又分為系統軟件和應用軟件。系統軟件是所有用戶使用的為了解決用戶使用計算機而編制的程序。 應用軟件是為解決某特定的問題而編制的程序。 操作系統是硬件與所有其他軟件之間的接口，而且是整個計算機系統的控制和管理中心。

　　操作系統兩個重要作用：

　　1 管理系統中各種資源。所有硬件部分稱為硬件資源。而程序和數據等信息成為軟件資源。

　　2 為用戶提供良好的界面。

　　操作系統的特征：1 并發性。是在計算機系統中同時存在多個程序，宏觀上看，這些程序是同時向前推進的。在單CPU上，這些并發執行的程序是交替在CPU上運行的。 程序并發性體現在兩個方面：①用戶程序與用戶程序之間的并發執行。②用戶程序與操作系統程序之間的并發。 2 共享性。資源共享是操作系統程序和多個用戶程序共用系統中的資源。 3 隨機性。隨機性指：操作系統的運行是在一個隨機的環境中，一個設備可能在任何時間向處理機發出中斷請求，系統無法知道運行著的程序會在什么時候做什么事情。 沒有任何軟件支持的計算機稱為裸機。 操作系統是硬件的第一層軟件擴充。

　　操作系統的功能：

　　1 進程管理：主要是對處理機進行處理。隨著系統對處理機管理方法不同，其提供的作業處理方式也不同，例如有批處理方式，分時方式和實時方式。 2 存儲管理：主要是管理內存資源。當內存不夠的時候，解決內存擴充問題，就是內存和外存結合起來的管理，為用戶提供一個容量比實際內存大的多的虛擬存儲器，這是操作系統的存儲功能的重要任務。 3 文件管理。系統中的信息資源是以文件的形式存放在外存儲器上的。 4 設備管理。設備管理是計算機系統中除了CPU和內存外的所有輸入，輸出設備的管理。 5 用戶和操作系統的接口。

　　操作系統的分類： 1 批處理操作系統。 兩個特點：一是多道，一是成批。多道是系統內同時容納多個作業，這些作業存放在外存中 ，組成一個后備作業序列，系統按一定的調度原則每次從后備作業中選取一個或多個作業放入內存中運行，運行作業結束并退出運行和后備作業進行運行均由系統自動實現，從而在系統中形成一個自動轉接的連續的作業流。而成批是系統運行中不允許用戶和他的作業發生交互關系。 批處理系統追求的目標是提高系統資源利用率和大作業吞吐量以及作業流程的自動化。

　　2 分時系統。 分時系統允許多個用戶同時連機使用計算機。

　　操作系統采用時間片輪轉的方式處理每個用戶的服務請求。

　　特點：①多路性。②交互性。又叫交互操作系統。③獨立性。④及時性。分時系統性能的主要指標之一的是響應時間，是從終端發出命令到系統與應答的時間。 通常計算機系統采用批處理和分時處理方式來為用戶服務。時間要求不強的作業放入后臺批處理處理，需要頻繁交互的作業在前臺分時處理。

　　3 實時系統。 系統能夠及時響應隨機發生的外部事件，并在嚴格的時間范圍內完成對該事件的處理。實時系統作為一個特定應用中的控制設備來使用。 分為兩類：①實時控制系統。②時信息處理系統。特點：及時響應和高可靠性。

　　4 個人計算機操作系統。個人計算機操作系統是一個聯機交互的單用戶操作系統，它提供的聯機交互功能與分時系統所提供的功能很相似。 5 網絡操作系統。 計算機網絡是通過通信設施將地理上分散的具有自治功能的多個計算機系統互連起來，實現信息交換，資源共享，互操作和協作處理的系統。網絡操作系統就是在原來的各自計算機系統操作上，按照網絡體系結構的各個協議標準進行開發，使之包括網絡管理，通信，資源共享，系統安全和多種網絡應用服務的操作系統。 6 分布式操作系統。

　　研究操作系統的幾種觀點：1 從資源管理觀點：把操作系統分為處理機管理，存儲管理，設備管理，文件管理，用戶與操作系統的接口等5個主要部分。2 虛機器觀點：用戶不再直接使用硬件機器，而是通過操作系統來控制和使用計算機，從而把計算機擴充為功能更強，使用更加方便的計算機系統。操作系統的全部功能，稱為操作系統虛機器。

　　操作系統所涉及的硬件環境：1 特權指令與處理機狀態。特權指令和非特權指令。特權指令是只允許操作系統使用，而不允許一般用戶使用的指令。非特權指令之處的指令稱為非特權指令，非特權指令的執行不影響其他用戶以及系統。 2 CPU狀態。 CPU交替執行操作系統程序和用戶程序。 CPU的狀態屬于程序狀態字PSW的一位。大多數計算機系統將CPU執行狀態分為管態和目態。 管態又叫特權態，系統態或核心態。CPU在管態下可以執行指令系統的全集。通常，操作系統在管態下運行。 目態又叫常態或用戶態。機器處于目態時，程序只能執行非特權指令。用戶程序只能在目態下運行，如果用戶程序在目態下執行特權指令，硬件將發生中斷，由操作系統獲得控制，特權指令執行被禁止，這樣可以防止用戶程序有意或無意的破壞系統。從目態轉換為管態的唯一途徑是中斷。從管態到目態可以通過修改程序狀態字來實現，這將伴隨這由操作系統程序到用戶程序的轉換。

　　中斷機制：中斷機制是現代計算機系統中的基礎設施之一，它在系統中起著通信網絡作用，以協調系統對各種外部事件的響應和處理。 中斷是實現多道程序設計的必要條件。 中斷是CPU對系統發生的某個事件作出的一種反應。 引起中斷的事件稱為中斷源。中斷源向CPU提出處理的請求稱為中斷請求。發生中斷時被打斷程序的暫停點成為斷點。CPU暫停現行程序而轉為響應中斷請求的過程稱為中斷響應。處理中斷源的程序稱為中斷處理程序。CPU執行有關的中斷處理程序稱為中斷處理。而返回斷點的過程稱為中斷返回。 中斷的實現實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稱為中斷系統。

　　一般將中斷源分為兩大類：強迫性中斷和自愿性中斷。

　　強迫性中斷是正在運行的程序所不期望的，它們是或發生，何時發生事先無法預料，因而運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備的中斷。2 硬件故障中斷 3 時鐘中斷，如硬件時鐘到時。 4 控制臺中斷，如系統控制員通過控制臺發出命令。 5 程序性中斷

　　自愿性中斷是正在運行的程序有意識安排的，通常是由于程序員在編制程序時，因要求操作系統提供服務而有意使用訪管指令或系統調用，從而導致中斷的，所以又稱其為訪管中斷。 系統為每類中斷設置一個中斷處理程序。每個中斷處理程序都有一個入口地址PC及其運行環境PSW，它們被稱為中斷向量，保存在內存中固定的單元。 中斷響應是解決中斷的發現和接受問題，是由中斷裝置完成的。中斷響應是硬件對中斷請求作出響應的過程，包括識別中斷源，保留現場，引出中斷處理程序等過程。 CPU每執行完一條指令，便去掃描中斷寄存器，查詢有無中斷請求。若有中斷請求，則通過交換中斷向量進入中斷處理程序，這就是中斷響應。

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