操作系统复习

第一章 操作系统概述

基本概念

1. 吞吐量：单位时间内系统能处理的工作量。
2. 进程：正在动态执行的程序
3. 实时操作系系统：实时计算。计算的正确性不仅依赖于系统计算的逻辑结果，还依赖于产生这个结果的时间一类的计算。
4. 操作系统的特征：现代操作系统大多支持多任务，具有并发、共享、虚拟、异步的特征。

单道批处理系统

1. 特性：自动性、顺序性、单道性。
2. 作业独占CPU和内存。

多道批处理系统

1. 特性： 多道性、无序性、调度性、复杂性。
2. 优点：提高CPU的利用率、提高内存和I/O设备的利用率、增加系统吞吐量。
3. 缺点：平均周转时间长（每个任务都存在等待时间） （2）缺乏交互能力

操作系统的功能

1.存储器管理功能

（1） 内存分配：静态分配、动态分配
（2） 内存保护
（3） 地址映射： 需配合硬件完成。其结果为逻辑地址映射为物理地址。
逻辑地址从哪来：IR寄存器->译码->取操作数
（4） 内存扩充：虚拟存储技术。

2.进程管理功能

包括进程控制、进程同步、进程通信、进程调度

3.设备管理功能

设备管理应有以下功能：
（1） 缓冲管理：管理各种缓冲区。
（2） 设备分配：分配I/O所需的设备
（3） 设备处理：由设备驱动实现CPU与设备控制器间的通信。
（4） 设备独立性与虚拟设备

4.文件管理

主要解决：按名访问、文件存储的功能。

5.为用户提供接口

指令的执行

1. 一条高级语言对应多条机器语言
2. 程序的执行本质是指令一条条执行的过程，指令执行的本质只可能产生存储单元的变化。
3. 取指令和执行指令是通过硬件完成的。
4. 任何高级语言程序被编译成指令集合，其中的每一条指令都属于机器体系结构指令集。
5. 硬件上下文：中断返回恢复被中断程序的执行时，必须要写回CPU寄存器的值。

第二章 进程的描述与控制

1.程序的并发执行

1.1 程序的顺序执行

程序的顺序执行时具有以下特点：顺序性、封闭性、可再现性。

1.2 程序的并发执行

程序的并发执行具有如下特点： 间断性、失去封闭性、不可再现性

不可再现性产生的原因：CPU交替执行指令，产生了不同的指令执行序列，导致结果不同。

2. 进程的描述

2.1 基本概念

1. 进程的定义：进程是程序在一个数据集合上的运行过程。

? 进程时由正文段、用户数据段以及系统数据段共同组陈的一个执行环境。

1. 程序的执行过程实际上是一个执行环境的总和。

2. 进程的特征：1） 并发性：多个进程实体同存于内存中

   ? 2） 动态性：进程时进程实体的执行过程

   ? 3） 独立性：在没有引入线程的操作系统中，进程是独立 运行和资源调度的基本单位。

   ? 4） 异步性：进程以不可预知的速度向前推进，按异步方式运行。

   ? 5） 结构特征： 进程实体包括用户正文段、系统数据段和用户数据段。

3. 进程与程序的比较：

   区别：1）程序是静态的、进程是动态的。

   ? 2）程序是永久的，进程是暂时存在的。

   ? 3）进程与程序存在实体不同。程序是指令的集合，而进程包含了用户正文段、系统数据段、用户数据 段的实体。

   联系： 进程是程序的一个执行，总是对应至少一个特定程序，而一个程序可对应多个进程。

4. 操作系统内核是计算机硬件的第一次扩充。

2.2 进程控制块PCB

1. 进程控制块是进程实体的一部分，是操作系统中最重要的记录型数据结构。
2. \(time\_slice\) 字段用于记录进程在CPU上运行的时间片中还剩余的时钟节拍数。

3. 进程的控制

1. 进程三种状态：就绪状态、执行状态、阻塞状态。

2. 进程进程间三个基本状态之间的转换关系

4. 操作系统内核

4.1 操作系统如何被加载

1. BIOS将当前磁盘的活动分区的第一个扇区（引导扇区）加载到内存
2. 执行boot程序，从磁盘的文件系统中找到OS内核的加载程序（loader.bin），并且将loader.bin装入内存，跳转至loader.bin的第一条命令，开始执行loader.bin程序。
3. 执行loader程序，将OS内核程序从外存装入内存。
4. 内核从式模式跳转到保护模式的启用分页机制。

4.2 中断

1. 什么是中断？

   中断时改变处理器执行顺序的一种事件。

2. 为什么引入中断？

   引入中断后，CPU可以与其他设备并行工作，能够有效提高CPU的利用率，改善系统性能，支持系统的异步性。

3. 中断的类型

   分为：同步中断（内部中断或异常）、异步中断（外部中断）。内部中断：一条指令终止执行后CPU才会发出中断。异步中断：其他硬件设备按照CPU时钟信号随机产生。

4. 关中断指令：由内核或基于硬件的软件执行。

5. 对于可屏蔽中断，开中断是响应中断的前提。

6. 响应中断的时机：对于外部中断，CPU每执行完一条指令都会检测是不是有外部中断信号到来，若有，则转中断处理。

7. 检测到有中断信号，转中断处理的过程：

   1）先保护断点，将当前要执行的下一条指令的地址保存到内存中，以便中断返回时能把这个地址恢复到PC中，使得，被中断的程序从断电出开始继续执行。

   2）系统关闭中断，转中断处理程序，在中断处理程序中完成保护现场的工作，即把相关硬件上下文信息保存到内存中。

   3）保护完现场，根据中断向量到中断向量表中（Linux中是到中断描述符表）找到与中断处理子例程入口地址的相关信息，根据这些信息找到中断处理子例程的入口地址，并执行中断处理子例程，完成本次中断处理的特定处理工作。

   4）恢复现场，开中断，CPU返回断电处继续执行被中断程序 。
   

8. 中断向量：中断向量是对不同中断源到来的信号编号。不可屏蔽中断的向量和异常的中断向量是固定的，而可屏蔽中断的向量可通过中断控制器的编程来实现。

9. 中断描述符表（IDT）：一个系统表，每个中断或异常斗鱼向量联系，每个向量在表中都有唯一对应的表项，其中存有与中断或异常处理子程序入口地址的相关信息。OS初始化时，由OS执行汇编指令Idit加载进内存。

   中断处理子程序的入口地址相关信息在内存中的地址 = idtr中的地址 + 8 * 中断向量?

4.3 时钟管理

1. 操作系统内核可以通过时间机制防止一个程序垄断CPU或者其他资源。

2. 计算机系统中的时钟：

   RTC时钟：又叫CMOS时钟。

   OS时钟：产生于PC机主板上的定时/记数芯片。

3. 可编程间隔定时器PIT：PIT按照一定的频率产生时钟中断，以告知内核又一个时间间隔过去了。

4. 时钟滴答：OS时钟由可编程定时计数器输出脉冲触发中断而产生的，输出的脉冲中心叫做一个时钟滴答。

5. 时钟中断间隔高：有些需要精确计时的应用无法正确运行

   时钟中断间隔低：OS占用CPU高，吞吐量变低

   因此，时钟中断间隔由系统性能决定。

4.4 系统调用

1. 什么是系统调用？

   系统调用是核心程序与用户程序之间的接口，是操作系统内核中预先定义好的模块。

2. 系统调用与一般函数调用的区别：

   1） 系统调用运行在系统态，一般函数运行在用户态。

   2）系统调用与一般函数调用的过程不同。当系统调用执行时，当前进程被中断，由系统寻找相应的系统调用子程序，并在核心态下执行，执行结果返回进程。

   3）系统调用要进行中断处理，比一般函数调用多了一些系统开销。

3. 用户态执行：用户空间指的是用户进程所处的地址空间。一个用户进程不能访问其他进程的用户空间。只有核心程序所启动的进程才能访问其他用户空间。当一个进程在用户空间执行时，称该进程在用户态执行。

4. 系统态执行：系统核心空间指的是含有一切系统核心代码的地址空间，当进程处于具有执行系统核心代码的权力状态时，称该进程在系统态执行。

5. 系统调用的过程：

   1.保存系统调用号。

   2.执行中断指令，陷入内核态。

   3.根据系统调用号从系统调用表中找到系统调用实现历程的实现地址。

   4.执行系统调用实现历程。

   5.返回用户态。

6. 系统调用的优点：

   1.使编程更容易，用户不用具体了解相应硬件设备。

   2.极大提高了系统安全性。