、中断、异常、接口、系统调用、体系结构)
操作系统 operating system一、操作系统文章目录操作系统 operating system一、操作系统1.概念1.1操作系统提供的功能1.2操作系统的运行机制1.2.1两个指令1.2.2CPU的两种处理机状态1.2.3两种程序2.发展、分类2.1手工操作阶段2.2批处理阶段2.3分时操作系统2.4实时操作系统分类❗3.四个基本特征3.1并发3.2共享3.3虚拟3.4异步❗4.中断、异常4.1内中断4.2外中断4.3中断机制的原理5.接口5.1命令接口5.2程序接口系统调用5.3库函数库函数与系统调用的区别和联系6.操作系统体系结构6.1大内核、微内核6.2分层结构6.3模块化6.4外核7.操作系统的引导8.虚拟机总参考1.概念操作系统Operating SystemOS是指控制和管理整个计算机系统的硬件和软件资源并合理地组织调度计算机的工作和资源的分配以提供给用户和其他软件方便的接口和环境它是计算机系统中最基本的系统软件。是在软件和硬件之间的一种系统软件不是硬件。1.1操作系统提供的功能负责管理协调硬件、软件等计算机资源的工作资源管理者处理机管理存储器管理文件管理设备管理为上层的应用程序、用户提供方便易用的服务。直接给用户使用的GUI图形化用户接口Graphical User Interface现代操作系统中的图形用户界面。命令接口联机命令接口实例、脱机命令接口实例。联机命令接口实例Windows系统里面的CMD联机命令接口 交互式命令接口脱机命令接口实例Windows系统种运行的*.bat文件脱机命令接口 批处理命令接口给程序员/软件使用程序接口即系统调用用户通过程序间接使用。为下层的裸机硬件设施进行扩展使裸机成为扩充机器即虚拟机。没有任何软件支持的计算机成为裸机。在裸机上安装的操作系统可以提供资源管理功能和方便用户的服务功能将裸机改造成功能更强、使用更方便的机器。1.2操作系统的运行机制“指令”就是处理CPU能识别、执行的最基本命令。1.2.1两个指令特权指令所有操作资源的指令。I/O指令、屏蔽中断指令关中断、设置时钟指令、停机指令、内存清零指令、存取寄存器比如外部中断时候保存通用寄存器的值、送PSW到程序状态寄存器、磁盘调度、进程调度指令非特权指令修改内存单元的值、读时钟、取数、存写内存、寄存器清零、1.2.2CPU的两种处理机状态程序状态寄存器PSW的标志位0用户态1核心态来决定 CPU的状态。核心态管态特权指令、非特权指令都可以执行。用户态目态CPU只执行非特权指令。用户态→核心态中断实现硬件自动完成唯一途经核心态→用户态执行一个特权指令例如psw就可以1.2.3两种程序CPU上会运行两种程序一种是操作系统内核程序一种是应用程序。内核程序OS程序系统的管理者运行在核心态。内核(Kernel)是操作系统最重要最核心的部分由很多内核程序组成操作系统内核。应用程序用户程序为保证系统安全普通应用只能运行非特权指令运行在用户态。用户程序只能在用户态运行不能进入核心态。2.发展、分类2.1手工操作阶段人工操作系统缺点用户独占全机人机速度矛盾导致资源利用率低。2.2批处理阶段通过引入**脱机I/O输入/输出方式使用监督程序操作系统雏形**控制输入输出。单道批处理系统优点缓解一定的人机矛盾。提高资源利用率。缺点内存仅有一道程序运行该程序运行之后才进行下一个程序CPU大量时间在等待I/O完成资源利用率低。多道批处理系统操作系统诞生采用多道程序技术形成多道批处理系统。多道性提高系统利用率、吞吐量。优点多道程序并发宏观并行微观串行执行共享计算机资源系统吞吐量大。提高资源利用率。缺点用户响应时间长没有人机交互功能。提交作业之后需要在整个程序执行完成之后才知道结果和错误中间过程用户看不到2.3分时操作系统以时间片为单位轮流为各个用户进行服务。优点用户请求可以被及时响应解决了人机交互的问题允许多个用户使用同一台计算机。缺点不能优先处理一些紧急的任务。2.4实时操作系统优点可以优先响应一些紧急的任务它们不需要时间片排队。在实时操作系统的控制下计算机系统接收到外部信号后及时进行处理并且要在严格的时限内处理完事件。实时操作系统的主要特点是及时性和可靠性。硬实时系必须在绝对严格的规定时间内完成处理火箭导弹。软实时系能接受偶尔违反时间规定12306订票。分类微机系统嵌入式系统网络操作系统分布式操作系统❗3.四个基本特征并发、共享、虚拟、异步。并发和共享是最基本的特征两个互为存在条件。不共享那么就无法并发而不能并发那就不能并发的共享也没意义。3.1并发两个或者多个事件程序在同一时间内间隔发生这些事件宏观上是同时发生的但是微观上是交替发生的。同一时刻还是在进行同一个事件。与并行不同并行是两个或多个事件在同一时刻同时发生。操作系统就是伴随着“多道程序技术”而出现的。因此操作系统和程序并发是一起诞生的。【考点】:单核CPU同一时刻只能执行一个程序各个程序只能并发地执行多核CPU同一时刻可以同时执行多个程序多个程序可以并行地执行。比如Intel的第八代i3处理器就是4核CPU意味着可以并行地执行4个程序。只要有4个程序以上同时进行那么就只能并发。3.2共享资源共享。系统的资源可供内存中多个并发执行的进程共同使用。互斥共享一段时间仅仅允许一个进程访问该资源。同时共享一段时间多个进程可以同时并发式交替对它们进行访问。3.3虚拟为了提高通信信道的利用率使用空分复用、时分复用技术将一条物理信道分为若干逻辑信道。使原来只能供一对用户通话的物理信道变成对多对用户通话的逻辑信道。空分复用技术如虚拟存储器技术)时分复用技术如虚拟处理器)显然如果失去了并发性则一个时间段内系统中只需运行一道程序那么就失去了实现虚拟性的意义了。因此没有并发性就谈不上虚拟性。3.4异步由于资源有限程序执行不是一步到底的而是停停走走的方式以不可预知的速度进行。当程序资源得不到满足的时候就需要先停下了。只有系统拥有并发性才有可能导致异步性❗4.中断、异常CPU上会运行两种程序一种是操作系统内核程序一种是应用程序。中断处理是OS必须提供的功能。进入中断处理的程序只能是内核程序操作系统程序。本质只要发生了中断就意味着需要操作系统介入开展管理工作。“中断”会使CPU由用户态变为内核态用户态→核心态使操作系统重新夺回对CPU的控制权。用户态→核心态中断实现硬件中断是唯一途经。核心态→用户态执行一个特权指令例如psw就可以。4.1内中断内中断也称异常、例外、陷入信号来源CPU内部。与当前执行的指令有关。自愿中断指令中断、陷入trap陷入指令、访管指令。强迫中断硬件故障fault缺页中断、软件终止abort1/0。陷入trap由陷入指令引发是应用程序故意引发的。【注意】陷入指令是在用户态执行的非特权指令执行陷入指令之后立即引发一个内中断使CPU进入核心态。硬件故障fault由错误条件引起的,可能被内核程序修复。内核程序修复故障后会把CPU使用权还给应用程序让它继续执行下去。如缺页故障。软件终止abort由致命错误引起,内核程序无法修复该错误因此一般不再将CPU使用权还给引发终止的应用程序,而是直接终止该应用程序。如整数除0、非法使用特权指令。4.2外中断外中断狭义上的中断一般就是称它为中断信号来源CPU外部。与当前执行的指令无关。时钟中断由时钟部件发来的中断信号主要工作是处理和时间有关的信息以及决定是否执行调度程序。和时间有关的信息系统时间、进程时间片、延时、使用CPU的时间、各种定时器。外设请求I/O中断例如打印机请求。人工干预。4.3中断机制的原理详见计算机组成原理 - 7.输入输出系统 - 3.2程序中断方式不同的中断信号需要用不同的中断处理程序来处理。当CPU检测到中断信号后会根据中断信号的类型去查询“中断向量表”以此来找到相应的中断处理程序在内存中的存放位置。中断向量表是用数组实现的。显然中断处理程序一定是内核程序需要运行在“内核态”。5.接口5.1命令接口允许用户直接使用为上层提供的命令接口分为两种联机命令接口交互式命令接口用户说一句系统做一句。CMD脱机命令接口批处理命令接口用户说一堆系统做一堆。执行C盘的*.bat文件5.2程序接口系统调用系统调用是运行在用户模式的程序请求操作系统内核提供服务的一种方式比如文件操作、进程控制、网络访问等。通过系统调用用户程序可以请求操作系统执行某些无法直接访问的内核操作。系统调用system call实际上是一个软件中断它将执行的上下文从用户模式切换到内核模式用户态→核心态。操作系统内核作为更高的特权级别可以访问保护的内存区域和硬件资源。这是一个非常重要的安全机制因为它阻止了用户程序直接访问硬件和敏感信息。“系统调用”是操作系统向上层提供给应用程序程序员/编程人员使用的接口可以理解为一种可供应用程序调用的特殊函数应用程序可以通过系统调用来请求获得操作系统内核的服务。系统调用执行顺序进程传递系统参数执行陷入trap指令由用户态转变为内核态将返回地址压入堆栈备用CPU执行相应的服务程序返回用户态。系统调用类似于函数调用是应用程序请求操作系统服务的唯一方式。系统调用vs一般调用系统调用会保存PSW和PC值一般过程调用只需要保存PC值。系统调用是必须的由操作系统内核对共享资源进行统一的管理并向上提供“系统调用”用户进程想要使用打印机这种共享资源只能通过系统调用向操作系统内核发出请求。内核会对各个请求进行协调处理。发出系统调用请求是在用户态而对系统调用的相应处理在核心态下进行。允许用户通过程序间接使用。由一组系统调用组成。程序接口 系统调用 系统调用命令 广义指令例子C:\Windows\System32\user32.dll程序员在程序中调用user32.dll。该调用为系统调用可以创建窗口。有的教材会把程序接口、命令接口统称为用户接口。5.3库函数库函数其实是封装了系统调用的也有简单的库函数没有封装系统调用系统调用更接近内核。库函数与系统调用的区别和联系区别库函数是编程语言或者应用程序的一部分而系统调用是操作系统的一部分。库函数运行在用户空间而系统调用是内核为用户提供的接口运行在内核空间中。系统调用会由用户空间用户态陷入到内核空间内核态。联系所以库函数会使用系统调用来实现功能没有使用系统调用的库函数它的执行效率通常要比系统调用的高。因为系统调用时需要进行上下文的切换及状态的转换用户态和内核态。深层原因【不写】库函数调用是调用函数库中的程序与用户程序相联系运行时间属于“用户”时间是过程调用开销较小系统调用通常用于底层文件访问例如在驱动程序中对设备文件的直接访问运行时间属于系统时间开销较大。6.操作系统体系结构一定是考简单的选择题了解各种体系结构的特性了解各自的优缺。大内核宏内核/单内核微内核分层结构模块化外核6.1大内核、微内核内核(Kernel)是操作系统最重要最核心的部分由很多内核程序组成操作系统内核。操作系统内核需要运行在内核态操作系统的非内核功能运行在用户态。【注意】考试的时候不要写“变态”这里“CPU状态的转换”。大内核宏内核将操作系统的主要功能模块都作为系统内核运行在核心态。高速但是复杂混乱。优点高性能缺点内核代码庞大结构混乱难以维护。微内核只把最基本的功能保留在内核。简单但是慢。优点内核功能少结构清晰方便维护缺点需要频繁地在核心态和用户态之间切换性能低。微内核基于“机制与策略分离”的原理构造OS结构具有功能进程线程管理低级存储器管理低级I/O中断和陷入处理特点扩展性、灵活性可靠性、安全性可移植性分布式计算定义(描述)微内核OS的方面内核足够小基于C/S客户/服务器模式基于“机制与策略分离”的原理面向对象技术典型的大内核宏内核/单内核操作系统Linux、UNIX。典型的微内核操作系统Windows NT。Windows操作系统融合了大内核和微内核。6.2分层结构内核分多层每层可单向调用更低一层提供的接口。优点便于调试和验证自底向上逐层调试验证单向依赖依赖固定不灵活。易扩充和易维护各层之间调用接口清晰固定。缺点仅可调用相邻低层难以合理定义各层的边界效率低不可跨层调用系统调用执行时间长设计困难。6.3模块化将内核划分为多个模块各模块之间相互协作。内核 主模块 可加载内核模块主模块只负责核心功能如进程调度、内存管理。可加载内核模块可以动态加载新模块到内核,而无需重新编译整个内核。优点模块间逻辑清晰易于维护确定模块间接口后即可多模块同时开发支持动态加载新的内核模块如:安装设备驱动程序、安装新的文件系统模块到内核增强OS适应性任何模块都可以直接调用其他模块无需采用消息传递进行通信效率高。缺点模块间的接口定义未必合理、实用模块间相互依赖更难调试和验证寻找bug。6.4外核内核负责进程调度、进程通信等功能外核exokernel负责为用户进程分配未经抽象的硬件资源且由外核负责保证资源使用安全。用户进程调用“库”请求OS外核服务。优点外核可直接给用户进程分配不虚拟、不抽象的硬件资源使用户进程可以更灵活的使用硬件资源减少了虚拟硬件资源的映射层开销提升效率。缺点降低了系统的一致性使系统变得更复杂。7.操作系统的引导操作系统引导boot开机的时候怎么让操作系统运行起来?引导程序分为两种自举程序在BIOS启动管理器在磁盘安装操作系统之后的磁盘主引导记录MBR磁盘引导程序分区表C:盘引导记录PBR负责找到“引导程序启动管理器”通常存放在根目录。根目录D:盘…**ROMBIOS**包含ROM引导程序即自举程序。开机过程执行ROM中的引导(boot)程序JMP转跳到BIOSBIOS引导CPU将磁盘的MBR放入内存RAMMBR地址入口硬件自检构建中断向量表检查硬件故障MBR中的磁盘引导程序会根据分区表来寻找C盘的位置将PBR放入内存从根目录中找到启动管理器进行操作系统初始化。8.虚拟机虚拟机使用虚拟化技术将一台物理机器虚拟化为多台虚拟机器Virtual Machine,VM每个虚拟机器都可次独立运行一个操作系统。同义术语虚拟机管理程序 / 虚拟机监控程序 / Virtual Machine MonitorVMM/ Hypervisor。但是这不是真正的“并行”在微观上也是串行的。多核处理机才真正实现并行。VMM功能没有OS复杂代码量少于一个完整的操作系统。两种虚拟机对比第一类VMM第二类VMM对物理资源的控制权直接运行在硬件之上能直接控制和分配物理资。源运行在Host OS之上依赖于Host OS为其分配物。资源资源分配方式在安装Guest OS时VMM要在原本的硬盘上自行分配存储空间类似于外核的分配方式分配未经抽象的物理硬件。GuestOS拥有自己的虚拟磁盘该盘实际上是 Host OS文件系统中的一个大文件。GuestOS分 配到的内存是虚拟内存。性能性能更好。性能更差需要HostOS作为中介。可支持的虚拟机数量更多。不需要和Host OS竞争资源相同的硬件 资源可以支持更多的虚拟机。更少。Host OS本身需要使用物理资源Host OS上运行的其他进程也需要物理资源。虚拟机的可迁移性更差。更好。只需导出虚拟机镜像文件即可迁移到另一 台HostOS上商业化应用更广泛。运行模式第一类VMM运行在最高特权级(Ring 0)可以 执行最高特权的指令。第二类VMM部分运行在用户态、部分运行在内核 态。GuestOS发出的系统调用会被VMM截获并转化为 VMM 对 HostOS 的系统调用。特权级别总参考王道计算机考研 操作系统 哔哩哔哩_bilibili 
长河君 · 2026/10/28 9:23:48 · 阅读 1.2k 【操作系统】一、操作系统概述：基本特征(并发、共享、虚拟、异步)、中断、异常、接口、系统调用、体系结构
操作系统 operating system一、操作系统文章目录操作系统 operating system一、操作系统1.概念1.1操作系统提供的功能1.2操作系统的运行机制1.2.1两个指令1.2.2CPU的两种处理机状态1.2.3两种程序2.发展、分类2.1手工操作阶段2.2批处理阶段2.3分时操作系统2.4实时操作系统分类❗3.四个基本特征3.1并发3.2共享3.3虚拟3.4异步❗4.中断、异常4.1内中断4.2外中断4.3中断机制的原理5.接口5.1命令接口5.2程序接口系统调用5.3库函数库函数与系统调用的区别和联系6.操作系统体系结构6.1大内核、微内核6.2分层结构6.3模块化6.4外核7.操作系统的引导8.虚拟机总参考1.概念操作系统Operating SystemOS是指控制和管理整个计算机系统的硬件和软件资源并合理地组织调度计算机的工作和资源的分配以提供给用户和其他软件方便的接口和环境它是计算机系统中最基本的系统软件。是在软件和硬件之间的一种系统软件不是硬件。1.1操作系统提供的功能负责管理协调硬件、软件等计算机资源的工作资源管理者处理机管理存储器管理文件管理设备管理为上层的应用程序、用户提供方便易用的服务。直接给用户使用的GUI图形化用户接口Graphical User Interface现代操作系统中的图形用户界面。命令接口联机命令接口实例、脱机命令接口实例。联机命令接口实例Windows系统里面的CMD联机命令接口 交互式命令接口脱机命令接口实例Windows系统种运行的*.bat文件脱机命令接口 批处理命令接口给程序员/软件使用程序接口即系统调用用户通过程序间接使用。为下层的裸机硬件设施进行扩展使裸机成为扩充机器即虚拟机。没有任何软件支持的计算机成为裸机。在裸机上安装的操作系统可以提供资源管理功能和方便用户的服务功能将裸机改造成功能更强、使用更方便的机器。1.2操作系统的运行机制“指令”就是处理CPU能识别、执行的最基本命令。1.2.1两个指令特权指令所有操作资源的指令。I/O指令、屏蔽中断指令关中断、设置时钟指令、停机指令、内存清零指令、存取寄存器比如外部中断时候保存通用寄存器的值、送PSW到程序状态寄存器、磁盘调度、进程调度指令非特权指令修改内存单元的值、读时钟、取数、存写内存、寄存器清零、1.2.2CPU的两种处理机状态程序状态寄存器PSW的标志位0用户态1核心态来决定 CPU的状态。核心态管态特权指令、非特权指令都可以执行。用户态目态CPU只执行非特权指令。用户态→核心态中断实现硬件自动完成唯一途经核心态→用户态执行一个特权指令例如psw就可以1.2.3两种程序CPU上会运行两种程序一种是操作系统内核程序一种是应用程序。内核程序OS程序系统的管理者运行在核心态。内核(Kernel)是操作系统最重要最核心的部分由很多内核程序组成操作系统内核。应用程序用户程序为保证系统安全普通应用只能运行非特权指令运行在用户态。用户程序只能在用户态运行不能进入核心态。2.发展、分类2.1手工操作阶段人工操作系统缺点用户独占全机人机速度矛盾导致资源利用率低。2.2批处理阶段通过引入**脱机I/O输入/输出方式使用监督程序操作系统雏形**控制输入输出。单道批处理系统优点缓解一定的人机矛盾。提高资源利用率。缺点内存仅有一道程序运行该程序运行之后才进行下一个程序CPU大量时间在等待I/O完成资源利用率低。多道批处理系统操作系统诞生采用多道程序技术形成多道批处理系统。多道性提高系统利用率、吞吐量。优点多道程序并发宏观并行微观串行执行共享计算机资源系统吞吐量大。提高资源利用率。缺点用户响应时间长没有人机交互功能。提交作业之后需要在整个程序执行完成之后才知道结果和错误中间过程用户看不到2.3分时操作系统以时间片为单位轮流为各个用户进行服务。优点用户请求可以被及时响应解决了人机交互的问题允许多个用户使用同一台计算机。缺点不能优先处理一些紧急的任务。2.4实时操作系统优点可以优先响应一些紧急的任务它们不需要时间片排队。在实时操作系统的控制下计算机系统接收到外部信号后及时进行处理并且要在严格的时限内处理完事件。实时操作系统的主要特点是及时性和可靠性。硬实时系必须在绝对严格的规定时间内完成处理火箭导弹。软实时系能接受偶尔违反时间规定12306订票。分类微机系统嵌入式系统网络操作系统分布式操作系统❗3.四个基本特征并发、共享、虚拟、异步。并发和共享是最基本的特征两个互为存在条件。不共享那么就无法并发而不能并发那就不能并发的共享也没意义。3.1并发两个或者多个事件程序在同一时间内间隔发生这些事件宏观上是同时发生的但是微观上是交替发生的。同一时刻还是在进行同一个事件。与并行不同并行是两个或多个事件在同一时刻同时发生。操作系统就是伴随着“多道程序技术”而出现的。因此操作系统和程序并发是一起诞生的。【考点】:单核CPU同一时刻只能执行一个程序各个程序只能并发地执行多核CPU同一时刻可以同时执行多个程序多个程序可以并行地执行。比如Intel的第八代i3处理器就是4核CPU意味着可以并行地执行4个程序。只要有4个程序以上同时进行那么就只能并发。3.2共享资源共享。系统的资源可供内存中多个并发执行的进程共同使用。互斥共享一段时间仅仅允许一个进程访问该资源。同时共享一段时间多个进程可以同时并发式交替对它们进行访问。3.3虚拟为了提高通信信道的利用率使用空分复用、时分复用技术将一条物理信道分为若干逻辑信道。使原来只能供一对用户通话的物理信道变成对多对用户通话的逻辑信道。空分复用技术如虚拟存储器技术)时分复用技术如虚拟处理器)显然如果失去了并发性则一个时间段内系统中只需运行一道程序那么就失去了实现虚拟性的意义了。因此没有并发性就谈不上虚拟性。3.4异步由于资源有限程序执行不是一步到底的而是停停走走的方式以不可预知的速度进行。当程序资源得不到满足的时候就需要先停下了。只有系统拥有并发性才有可能导致异步性❗4.中断、异常CPU上会运行两种程序一种是操作系统内核程序一种是应用程序。中断处理是OS必须提供的功能。进入中断处理的程序只能是内核程序操作系统程序。本质只要发生了中断就意味着需要操作系统介入开展管理工作。“中断”会使CPU由用户态变为内核态用户态→核心态使操作系统重新夺回对CPU的控制权。用户态→核心态中断实现硬件中断是唯一途经。核心态→用户态执行一个特权指令例如psw就可以。4.1内中断内中断也称异常、例外、陷入信号来源CPU内部。与当前执行的指令有关。自愿中断指令中断、陷入trap陷入指令、访管指令。强迫中断硬件故障fault缺页中断、软件终止abort1/0。陷入trap由陷入指令引发是应用程序故意引发的。【注意】陷入指令是在用户态执行的非特权指令执行陷入指令之后立即引发一个内中断使CPU进入核心态。硬件故障fault由错误条件引起的,可能被内核程序修复。内核程序修复故障后会把CPU使用权还给应用程序让它继续执行下去。如缺页故障。软件终止abort由致命错误引起,内核程序无法修复该错误因此一般不再将CPU使用权还给引发终止的应用程序,而是直接终止该应用程序。如整数除0、非法使用特权指令。4.2外中断外中断狭义上的中断一般就是称它为中断信号来源CPU外部。与当前执行的指令无关。时钟中断由时钟部件发来的中断信号主要工作是处理和时间有关的信息以及决定是否执行调度程序。和时间有关的信息系统时间、进程时间片、延时、使用CPU的时间、各种定时器。外设请求I/O中断例如打印机请求。人工干预。4.3中断机制的原理详见计算机组成原理 - 7.输入输出系统 - 3.2程序中断方式不同的中断信号需要用不同的中断处理程序来处理。当CPU检测到中断信号后会根据中断信号的类型去查询“中断向量表”以此来找到相应的中断处理程序在内存中的存放位置。中断向量表是用数组实现的。显然中断处理程序一定是内核程序需要运行在“内核态”。5.接口5.1命令接口允许用户直接使用为上层提供的命令接口分为两种联机命令接口交互式命令接口用户说一句系统做一句。CMD脱机命令接口批处理命令接口用户说一堆系统做一堆。执行C盘的*.bat文件5.2程序接口系统调用系统调用是运行在用户模式的程序请求操作系统内核提供服务的一种方式比如文件操作、进程控制、网络访问等。通过系统调用用户程序可以请求操作系统执行某些无法直接访问的内核操作。系统调用system call实际上是一个软件中断它将执行的上下文从用户模式切换到内核模式用户态→核心态。操作系统内核作为更高的特权级别可以访问保护的内存区域和硬件资源。这是一个非常重要的安全机制因为它阻止了用户程序直接访问硬件和敏感信息。“系统调用”是操作系统向上层提供给应用程序程序员/编程人员使用的接口可以理解为一种可供应用程序调用的特殊函数应用程序可以通过系统调用来请求获得操作系统内核的服务。系统调用执行顺序进程传递系统参数执行陷入trap指令由用户态转变为内核态将返回地址压入堆栈备用CPU执行相应的服务程序返回用户态。系统调用类似于函数调用是应用程序请求操作系统服务的唯一方式。系统调用vs一般调用系统调用会保存PSW和PC值一般过程调用只需要保存PC值。系统调用是必须的由操作系统内核对共享资源进行统一的管理并向上提供“系统调用”用户进程想要使用打印机这种共享资源只能通过系统调用向操作系统内核发出请求。内核会对各个请求进行协调处理。发出系统调用请求是在用户态而对系统调用的相应处理在核心态下进行。允许用户通过程序间接使用。由一组系统调用组成。程序接口 系统调用 系统调用命令 广义指令例子C:\Windows\System32\user32.dll程序员在程序中调用user32.dll。该调用为系统调用可以创建窗口。有的教材会把程序接口、命令接口统称为用户接口。5.3库函数库函数其实是封装了系统调用的也有简单的库函数没有封装系统调用系统调用更接近内核。库函数与系统调用的区别和联系区别库函数是编程语言或者应用程序的一部分而系统调用是操作系统的一部分。库函数运行在用户空间而系统调用是内核为用户提供的接口运行在内核空间中。系统调用会由用户空间用户态陷入到内核空间内核态。联系所以库函数会使用系统调用来实现功能没有使用系统调用的库函数它的执行效率通常要比系统调用的高。因为系统调用时需要进行上下文的切换及状态的转换用户态和内核态。深层原因【不写】库函数调用是调用函数库中的程序与用户程序相联系运行时间属于“用户”时间是过程调用开销较小系统调用通常用于底层文件访问例如在驱动程序中对设备文件的直接访问运行时间属于系统时间开销较大。6.操作系统体系结构一定是考简单的选择题了解各种体系结构的特性了解各自的优缺。大内核宏内核/单内核微内核分层结构模块化外核6.1大内核、微内核内核(Kernel)是操作系统最重要最核心的部分由很多内核程序组成操作系统内核。操作系统内核需要运行在内核态操作系统的非内核功能运行在用户态。【注意】考试的时候不要写“变态”这里“CPU状态的转换”。大内核宏内核将操作系统的主要功能模块都作为系统内核运行在核心态。高速但是复杂混乱。优点高性能缺点内核代码庞大结构混乱难以维护。微内核只把最基本的功能保留在内核。简单但是慢。优点内核功能少结构清晰方便维护缺点需要频繁地在核心态和用户态之间切换性能低。微内核基于“机制与策略分离”的原理构造OS结构具有功能进程线程管理低级存储器管理低级I/O中断和陷入处理特点扩展性、灵活性可靠性、安全性可移植性分布式计算定义(描述)微内核OS的方面内核足够小基于C/S客户/服务器模式基于“机制与策略分离”的原理面向对象技术典型的大内核宏内核/单内核操作系统Linux、UNIX。典型的微内核操作系统Windows NT。Windows操作系统融合了大内核和微内核。6.2分层结构内核分多层每层可单向调用更低一层提供的接口。优点便于调试和验证自底向上逐层调试验证单向依赖依赖固定不灵活。易扩充和易维护各层之间调用接口清晰固定。缺点仅可调用相邻低层难以合理定义各层的边界效率低不可跨层调用系统调用执行时间长设计困难。6.3模块化将内核划分为多个模块各模块之间相互协作。内核 主模块 可加载内核模块主模块只负责核心功能如进程调度、内存管理。可加载内核模块可以动态加载新模块到内核,而无需重新编译整个内核。优点模块间逻辑清晰易于维护确定模块间接口后即可多模块同时开发支持动态加载新的内核模块如:安装设备驱动程序、安装新的文件系统模块到内核增强OS适应性任何模块都可以直接调用其他模块无需采用消息传递进行通信效率高。缺点模块间的接口定义未必合理、实用模块间相互依赖更难调试和验证寻找bug。6.4外核内核负责进程调度、进程通信等功能外核exokernel负责为用户进程分配未经抽象的硬件资源且由外核负责保证资源使用安全。用户进程调用“库”请求OS外核服务。优点外核可直接给用户进程分配不虚拟、不抽象的硬件资源使用户进程可以更灵活的使用硬件资源减少了虚拟硬件资源的映射层开销提升效率。缺点降低了系统的一致性使系统变得更复杂。7.操作系统的引导操作系统引导boot开机的时候怎么让操作系统运行起来?引导程序分为两种自举程序在BIOS启动管理器在磁盘安装操作系统之后的磁盘主引导记录MBR磁盘引导程序分区表C:盘引导记录PBR负责找到“引导程序启动管理器”通常存放在根目录。根目录D:盘…**ROMBIOS**包含ROM引导程序即自举程序。开机过程执行ROM中的引导(boot)程序JMP转跳到BIOSBIOS引导CPU将磁盘的MBR放入内存RAMMBR地址入口硬件自检构建中断向量表检查硬件故障MBR中的磁盘引导程序会根据分区表来寻找C盘的位置将PBR放入内存从根目录中找到启动管理器进行操作系统初始化。8.虚拟机虚拟机使用虚拟化技术将一台物理机器虚拟化为多台虚拟机器Virtual Machine,VM每个虚拟机器都可次独立运行一个操作系统。同义术语虚拟机管理程序 / 虚拟机监控程序 / Virtual Machine MonitorVMM/ Hypervisor。但是这不是真正的“并行”在微观上也是串行的。多核处理机才真正实现并行。VMM功能没有OS复杂代码量少于一个完整的操作系统。两种虚拟机对比第一类VMM第二类VMM对物理资源的控制权直接运行在硬件之上能直接控制和分配物理资。源运行在Host OS之上依赖于Host OS为其分配物。资源资源分配方式在安装Guest OS时VMM要在原本的硬盘上自行分配存储空间类似于外核的分配方式分配未经抽象的物理硬件。GuestOS拥有自己的虚拟磁盘该盘实际上是 Host OS文件系统中的一个大文件。GuestOS分 配到的内存是虚拟内存。性能性能更好。性能更差需要HostOS作为中介。可支持的虚拟机数量更多。不需要和Host OS竞争资源相同的硬件 资源可以支持更多的虚拟机。更少。Host OS本身需要使用物理资源Host OS上运行的其他进程也需要物理资源。虚拟机的可迁移性更差。更好。只需导出虚拟机镜像文件即可迁移到另一 台HostOS上商业化应用更广泛。运行模式第一类VMM运行在最高特权级(Ring 0)可以 执行最高特权的指令。第二类VMM部分运行在用户态、部分运行在内核 态。GuestOS发出的系统调用会被VMM截获并转化为 VMM 对 HostOS 的系统调用。特权级别总参考王道计算机考研 操作系统 哔哩哔哩_bilibili