操作系统原理
《全国计算机等级考试四级教程——操作系统原理2017版》
第一章 操作系统概论
1、计算机系统
计算机系统是一种可以按照用户的饿要求接收和存储信息，自动进行数据处理并输出结果信息的系统。计算机系统包括硬件（子）系统、软件（子）系统。硬件系统是计算机系统赖以工作的实体；软件系统是保障计算机系统按照用户指定的要求协商工作。计算机系统的资源也包括：硬件资源和软件资源。
硬件系统：中央处理器（CPU）、内存储器、外存储器（硬盘、磁带等）以及各种类型的输入/输出设备（键盘、鼠标、显示器、打印机等） 软件系统：各种程序和数据 2、操作系统
操作系统是集中了资源管理能力和控制程序执行能力的一种软件。能够有效地组织和管理计算机系统中的硬件及软件资源，合理地组织计算机的工作流程，控制程序的执行，并向用户提供各种服务，使用户能够灵活、方便、有效地使用计算机，并使得整个计算机系统能够高效地运行。
操作系统的任务：一是组织和管理计算机系统中的硬件及软件资源。二是想用户提供各种服务功能。一方面向程序开发和设计人员提供高效的程序设计借口，另一方面想使用计算机系统的用户提供接口，使用户能够灵活、方便、有效的使用计算机。 3、操作系统的特征
（1）并发性。计算机系统中同时存在若干个运行着的程序。“并发性”体现在两个方面：用户程序与用户程序之间；用户程序与操作系统之间。宏观角度并发，微观角度不一定是并发的，例如在单处理器环境下，这些程序实际是交替在中央处理器上运行。
（2）共享性。指操作系统程序与多个用户程序公用系统中的各种资源。一般有两种形式：互斥共享和同时共享。互斥共享是在一段特定的时间内只能由某一个用户程序使用。同时共享是在同一时间段内可以被多个程序同时访问。 （3）随机性。操作系统的运行是在一种随机的环境下进行的。操作系统正处于什么状态是无法确切的知道的。 4、操作系统的功能
操作系统的功能主要可以分为进程管理（处理器管理）、存储管理、文件管理、作业管理和设备管理。 （1）进程管理。实质是对中央处理器进行管理，主要包括进程控制、进程同步、进程间通信、进程调度等。 ①进程控制。主要任务就是创建进程、撤销结束的进程、控制进程运行时的各种状态转换。
②进程同步。多个进程的执行是并发的，他们以异步方式运行，OS需要提供进程同步机制，以协调进程的执行 ③进程间通信。是协作的进程之间相互交换数据和消息的手段 ④调度。通常包括进程调度、线程调度、作业调度等。 （2）存储管理。管理计算机内存的资源
①内存的分配与回收。当多个程序共享有限的内存资源时，如何为多个程序分配有限的内存空间；②存储保护。存放在内存中的多个程序和数据应该彼此隔离、互不侵扰；③内存扩充。将内存和外存结合起来管理，为用户提供一个比实际内存大得多的虚拟存储器。
（3）文件管理。在计算机系统中的信息资源是以文件的形式存放在外存储器上。文件管理的任务是有效地支持文
1 / 25
操作系统原理
件操作，解决文件的共享、保密和保护问题，使用户方便、安全地访问文件。 （4）设备管理。指除了CPU和内存以外的所有输入、输出设备的管理。 （5）用户接口。从用户的观点来看，操作系统是用户与计算机系统之间的接口。 5、操作系统分类
按照用户界面的使用环境和功能特征的不同，一般可以吧操作系统分为三种基本类型：批处理操作系统、分时操作系统、实时操作系统。只有又出现了许多类型的OS，如个人操作系统、网络操作系统、分布式操作系统、嵌入式操作系统等。
（1）批处理操作系统。
工作方式：用户将作业交给系统操作员，系统操作员在受到后，并不立即将作业输入计算机，而是在受到一定数量的用户作业之后，组成一批作业，再把这批作业输入到计算机中。这批作业可以在系统中形成连续的、自动转接的作业流。 （2）分时系统
用户通过终端交互式地向系统提出命令请求，系统接收用户的命令之后，采用时间片轮转方式处理服务请求，并通过交互方式在终端上向用户显示结果。
分时系统追求的目标是及时响应用户输入的交互命令。 （3）实时操作系统（Real Time Operating System, RTOS）
主要目标是在严格时间范围内，对外部请求作出反应，系统具有高度可靠性。需要具有实时时钟管理、过载防护、高可靠性能力。
（4）嵌入式操作系统（Embedded OS）
嵌入式操作系统就是运行在嵌入式芯片环境中，对整个芯片以及它所操作、控制的各种部件装置等资源进行统一协调、调度、指挥和控制的系统软件。
（5）个人计算机操作系统（Personal Computer OS） 是一种单用户多任务的操作系统 （6）网络操作系统（Network OS）
网络操作系统与分布式操作系统在概念上的主要不同之处在于网络操作系统可以构架与不同的操作系统之上，而分布式操作系统强调单一操作系统对整个系统的管理和调度。
基于计算机网络的操作系统，其目的是相互通信及资源共享。网络环境中的计算机不仅能够共享数据，资源及服务，
还能共享运算处理能力。
（7）分布式操作系统（Distributed OS）
分布式操作系统是网络操作系统的更高级形式。在系统中所有的主机使用的是同一个操作系统，可以实现资源的深度共享，对用户透明，具有自治性（各主机之间平等，不是主从关系）。 （8）智能卡操作系统 6、操作系统结构
操作系统结构，是指操作系统各部分程序的存在方式及相互关系。 （1）整体式结构
模块组合结构，系统中的模块不是根据程序和数据本身的特性而是根据他们完成的功能划分的。模块独立性差，系统结构不清晰。模块组合合法的关键在于“接口”。
2 / 25
操作系统原理
（2）层次式结构
各层之间的模块只能是单向依赖或单向调用关系。 （3）微内核（客户机/服务器）结构
效率比较低，所有的用户进程只能通过微内核相互通信。
第二章 操作系统运行机制
1、中央处理器（CPU）的构成
一般的处理器由运算器、控制器、一系列寄存器、高速缓存构成。 （1）运算器实现任何指令中的算术和逻辑运算，是计算机计算的核心；
（2）控制器负责控制程序运行的流程，包括取指令、维护CPU状态、CPU与内存交互等； （3）寄存器是指令在CPU内部作出理的过程中暂存数据、地址及指令信息。
数据/通用寄存器（DR）：主要用于算术逻辑指令和访存指令
用户可见寄存器{地址寄存器（AR）：存储数据集指令的物理地址、线地址或者有效地址
条件码寄存器：保存CPU操作结果的各种标记位
程序计数器(PC)：记录将要取出的指令地址 寄存器 () 指令寄存器IR：最近取出的指令
控制和状态寄存器
程序状态字(PSW)：记录CPU的运行模式信息 （PSW通常包括CPU的工作状态代码、
{{反映执行后结果特征的条件码、中断屏蔽吗）
（4）高速缓存处于CPU和物理内存之间，一般由内存管理单元（Memory Management Unit,MMU）管理，它的访
问速度快于内存，低于寄存器，利用程序局部性原理使得高速指令处理和低速内存访问得以匹配。 2、CPU指令执行的基本过程
处理器先从存储器中每次读取一条指令，然后执行该条指令。这样的单条指令处理过程称为一个指令周期。
访问存储器指令：负责CPU与存储器之间的数据传送 I/O指令：负责CPU与I/O设备间的数据传送和命令发送指令算术逻辑指令：执行有关数据的算术和逻辑操作
控制转移指令：指定一个新的指令的知行起点
{CPU控制指令：修改CPU状态，改变CPU工作方式
3、CPU的状态
{
管态（系统态、特权态）：指操作系统管理程序运行的状态，特权级别高
目态(普通态、用户态)：指用户程序运行时的状态，特权级别低
特权越高，可以运行的指令集合就越大；而且特权级别高的可运行指令集合包含低特权级的。
目态到管态的转换：通过中断或异常。中断响应时交换中断向量，新的中断向量中的程序状态字（PSW）的CPU状态标志位为管态。
3 / 25
操作系统原理
