操作系统概述

一、操作系统的概念、特征、功能和提供的服务

1.操作系统的概念
    操作系统是计算机系统中最重要、最基本的系统软件,操作系统位于硬件和用户程序之间。
    对于用户来讲：它能向用户提供使用计算机的接口;
    从资源管理角度来看：它能管理计算机软硬件资源,提高其利用率;
    再者,利用虚拟机技术(如WMWare,VirtualBox,Java虚拟机等),扩展了计算机的功能和使用范围。
    因此,操作系统的定义为:操作系统是控制和管理计算机软、硬件资源,以尽可能合理、高效的方法为不同用户及其应用程序提供服务的一种系统程序。
 
2. 操作系统的特征
    操作系统具有并发(与并行的区别：并行是真正意义上的同时;而并发是宏观上的同时，而微观上是交替)、共享、虚拟和不确定性(由并发引起,应尽量减少系统的不确定性)四大特征。
    其中,最重要的是并发特征,其他三个特征都是以并发为前提的。

3. 操作系统的功能
    操作系统主要有进程管理、存储管理、文件管理、设备管理四大功能。

4. 操作系统所能提供的服务
    操作系统为用户程序和系统程序提供了一系列的服务,这些服务可使使用计算机的人更快捷、高效和简单地完成自己的工作。

1.公共服务(命令控制接口：命令行shell,图形界面GUI,NUI[自然用户接口],脚本)
        提供人机对话平台。
    2.系统调用服务
        提供编程时的系统服务;创建，打开，关闭，读，写，删除等。
【附：API是多个系统调用和部分代码的综合，比系统调用功能更加强大一些】

二、 操作系统的发展与分类

1. 操作系统的发展
操作系统的发展目前呈现出多样化的局面：
    大型计算机、巨型计算机需要满足其集群计算,高性能计算的需求;
    军用计算机、工业控制计算机希望操作系统能实时响应;
    嵌入式计算机要求精简、功能专一;
    便携式设备要求省电,电池持续耐力强等等。
因此,操作系统将会随着用户对系统不断的新要求,在硬件的支持下,得到更加快速、强大地发展。

2.　操作系统的分类
    1).单用户操作系统
    2).批处理操作系统
        批处理系统又分为以下两类(其中又分为联机操作系统和脱机操作系统):
        (1)单道批处理系统
        (2)多道批处理系统
    3).分时操作系统(现在通用的操作系统)
    4).实时系统(硬实时，软实时)
    5).网络操作系统
        特点：    a.与普通操作系统相比，有更强大的资源共享的能力
                b.有更加强化的通信功能
    6).分布式操作系统
    7).并行操作系统

三、 操作系统的运行环境

1. 内核态与用户态[开始时操作系统并没有严格区分内核态与用户态，而是随着并发提出来的]
    多数系统将处理器工作状态划分为内核态和用户态。
    内核态[运行特权指令]一般指操作系统管理程序运行的状态,具有较高的特权级别,又称为特权态、系统态或管态[虽然级别较高，但是也不能访问用户态的内容，体现了西方尊重私人财产的哲学思想];
    用户态[运行访管指令]一般指用户程序运行时的状态,具有较低的特权级别,又称为普通态、目态。
    [内核态与用户态“井水不犯河水”，由硬件提供相关技术]。

2. 中断、异常
    所谓中断(interrupt)是指处理机对系统中或系统外发生的异步事件的响应。
    异常(有时也称为陷阱 trap)是指由系统发起的一次确定的服务过程。相当于软中断，是以中断的方式来调用的一段代码。
    中断与异常的区别与联系:就比较通用的观点来看,中断是强迫性的,异常是自愿性的;中断一般外来的,异常是程序发出的,中断服务于所有程序,异常一般为发出异常的程序服务。

3. 系统调用
    系统调用的处理过程是这样的,当系统调用发生时,处理器通过一种特殊的机制,通常是中断或者异常处理,把控制流程转移到监控程序内的一些特定的位置。同时,处理器模式转变成特权模式。其次,由监控程序执行被请求的功能代码。这个功能代码代表着对一段标准程序段的执行,用以完成所请求的功能。第三,处理结束之后,监控程序恢复系统调用之前的现场;把运行模式从特权模式恢复成为用户方式;最后将控制权转移回原来的用户程序。
系统调用与一般程序调用(API)的不同:
    (1)运行在不同的系统状态。调用的程序是运行在用户态,被调用的程序运行在系统态。
    (2)进入的方式不同。过程调用语句直接跳转到被调用过程;而系统调用则必须通过运行系统调用命令。
    (3)返回方式不同。过程调用直接返回;系统调用则不直接返回,有重新调度过程。
    (4)代码层次不同。过程调用是用户级程序,而系统调用是系统级程序。
    (5)系统调用一般不能嵌套或递归。

四、 操作系统体系结构

常见的操作系统体系结构有整体式结构、层次式结构和微内核(客户/服务器)结构等。
 
    1).整体式结构[无结构,如MS-DOS]
    首先确定操作系统的总体功能,然后将总功能分解为若干个子功能,实现每个子功能的程序称为模块。它的主要优点是:结构紧密,接口简单直接,系统效率较高。
    2).层次式结构
    所谓层次式结构就是把操作系统的所有功能模块,按功能流图的调用次序,分别将这些模块排列成若干层,各层之间的模块只能是单向依赖或单向调用关系。这样不但操作系统的结构清晰,而且不构成循环。
    3).微内核(客户/服务器)结构[典型代表：UNIX操作系统]
    这种模式，内核提供所有操作系统最核心，最关键的部分,如线程调度、处理机调度、处理机分配等做成一个内核，这些部分通常采用层次结构并构成了基本操作系统 。而其他所有的部分则以外挂的方式加载进去。
    【对应微内核，有强内核结构，如Windows】
    4).模块式(面向对象)结构

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