第一章 操作系统及中断及用户接口

操作系统定义:操作系统是一个大型的程序系统,它负责计算机系统软、硬件资源的分配;控制和协调并发活动;提供用户接口,使用户获得良好的工作环境。

操作系统的特性
- 并发 能处理多个同时性活动的能力
- 共享 多个计算任务对系统资源的共同享用
- 不确定性 操作系统能处理大量的、随机的事件序列,使各用户的计算任务正确地完成。
- 虚拟性

资源管理功能
- 资源共享:多个计算任务对计算机系统资源的共同享用
- 资源竞争:多个计算任务对计算机系统资源的争夺

处理机管理
- 提出进程调度策略:确定将CPU先分给哪个用户程序,它占用多长时间,下一个又该轮到哪个程序运行等问题。
- 给出进程调度算法
- 进行处理机的分派:在调度时机到来时,进行处理机分派

存储器管理
- 存储分配和存储无关性:确定各应用程序在主存中的位置及所占区域的大小;应用程序无需关心存储细节,由存储管理模块提供地址重定位能力。
- 存储保护:系统提供基址、界限寄存器等存储保护方法,使各应用程序相互隔离。
- 存储扩充:系统提供虚拟存储技术,扩大逻辑主存。

设备管理
- 设备无关性:设备无关性是指用户向系统申请和使用的设备与实际操作的设备无关,以达到方便用户、提高设备利用率的目的。
- 设备分配:操作系统为各应用程序和运行实体分配各种设备。设备分配通常采用三种基本技术:独享、共享及虚拟技术。
- 设备的传输控制:设备的传输控制包括:启动设备、中断处理、结束处理三个方面

操作系统中的并行处理技术
1.并行性:处理多个同时性活动的能力。
2.并行处理:多个处理部件为完成一个任务而同时执行
3.多用户、多任务同时执行(并发执行)

操作系统中的虚拟技术
1.用户的逻辑视图与操作系统所管理的物理视图分离
2.逻辑视图与物理视图的映射

单CPU计算机配置的操作系统

批量操作系统:批量操作系统是操作系统的一种类型。该系统把用户提交的程序组织成作业形式。作业成批送入计算机,然后由作业调度程序自动选择作业,在系统内多道运行。早期计算机一般都配置批量操作系统。
特点:
1.系统吞吐率高,脱机操作 多道运行 合理搭配作业
2.作业周转时间长,用户使用不方便

分时操作系统
分时操作系统:分时操作系统是操作系统的另一种类型。它一般采用时间片轮转的办法,使一台计算机同时为多个终端用户服务。该系统对每个用户都能保证足够快的响应时间,并提供交互会话功能。
特点:
- 并行性
- 独占性
- 交互性

实时系统
定义:配置了实时操作系统的系统。该系统可以对科学实验、医学成像、工业控制、武器装备控制和特定显示系统进行实时控制的系统。
实时系统的分类:
- 硬实时系统:系统必须满足应用程序对截止期限(deadline)的要求,若错过了截止期限,将导致灾难性后果
- 软实时系统:系统中截止期限被错过的情况下,只造成系统性能下降而不会带来严重后果
实时操作系统
定义:实时操作系统对外部输入的信息,能够在规定的时间内处理完毕并作出反应。
实时操作系统的特点
- 可靠性和安全性
- 及时响应
实时操作系统的类型
- 实时控制 —— 生产过程控制、作战指挥
- 实时信息处理 —— 订购机票、情报检索

个人计算机操作系统

多处理机系统
多处理机系统也称并行系统(parallel system)或紧耦合系统。
定义如下;
① 包含两个或多个功能相当的处理器
② 所有处理器共享一个公共内存
③ 所有处理器共享I/O通道、控制器和外围设备
④ 由一个操作系统控制
多处理机系统的特点:① 具有并行处理能力。 ② 紧耦合、存在瓶颈、可扩展性差。③不支持大规模并行计算;不支持分布处理

网络操作系统

分布式系统

处理机的特权级
系统中两类程序的职责和区别如下:
|管理程序|用户程序|
| ------------ | ------------ |
|管理系统资源|使用资源,提出申请|
|控制程序运行|被控制|
区分处理机状态的目的:保护操作系统
处理机的态:处理机的态,又称为处理机的特权级,是中央处理机的工作状态。当前处理机正在执行哪类程序,决定处理机的态。
处理机状态的分类
- 管态:操作系统的管理程序执行时机器所处的状态,又称处理机的特权级。在此状态下处理机可使用全部指令(包括一组特权指令);使用全部系统资源(包括整个存储区域)
- 用户态:用户程序执行时机器所处的状态称为用户态。在此状态下禁止使用特权指令,不能直接取用资源与改变机器状态,并且只允许用户程序访问自己的存储区域
- 管态和用户态的区别:

管态 用户态
操作系统的程序执行 用户程序执行
使用全部指令 禁止使用特权指令
使用全部系统资源 (包括整个存储区域) 只允许用户程序访问自己的存储区域

中断及其处理

中断概念

所谓中断是指某个事件 (例如电源掉电、定点加法溢出或I/O传输结束等) 发生时,系统中止现行程序的运行、引出处理事件程序对该事件进行处理,处理完毕后返回断点继续执行的过程

中断类型

按中断功能分类
1. 输入输出中断 I/O传输结束或出错中断
2. 外中断 时钟中断、操作员控制台中断、通信中断等
3. 机器故障中断 电源故障、主存取指令错等
4. 程序性中断 定点溢出、用户态下用核态指令、非法操作
5. 访管中断 对操作系统提出某种需求时所发出的中断
按中断方式分类
1. 强迫性中断:不是正在运行的程序所期待的中断。如:输入输出中断、外中断、机器故障中断、程序性中断。
2. 自愿中断是运行程序所期待的事件。 如:访管中断
按中断来源分类
1. 中断 ,由处理机外部事件引起的中断
2. 俘获 ,由处理机内部事件引起的中断

保护现场和恢复现场

现场
在中断的那一时刻能确保程序继续运行的有关信息
- 后继指令所在主存的单元号
- 程序运行所处的状态
- 指令执行情况
- 程序执行的中间结果等
保护现场
当中断发生时,必须立即把现场信息保存在主存中,这一工作称之为保护现场。
恢复现场
程序重新运行之前,把保留的该程序现场信息从主存中送至相应的指令计数器、通用寄存器或一些特殊的寄存器中。完成这些工作称为恢复现场。


"穷且益坚,不坠青云之志"