计算机系统概述思维导图

U582141251

2024-12-20

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中断的作用

两种处理器状态

两类程序

计算机系统概述内容详述

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思维导图大纲

操作系统的基本概念

定义

操作系统是一组用于控制和管理计算机系统硬件和软件资源，合理的对各类作业进行调度，以及方便用户使用的程序集合

地位

操作系统是裸机之上的第一层软件，是建立其它所有软件的基础。它是整个系统的控制管理中心，既管硬件也管软件，他为其它软件提供运行环境。

概念

负责管理协调硬件，软件等计算机资源的工作

为上层用户，应用程序提供简单易用的服务

是一种系统软件

功能和目标

资源的管理者

处理机管理

主要功能包括进程控制，进程同步，进程通信，死锁处理，处理机调度等

存储器管理

主要包括内存分配，地址映射，内存保护与共享和内存扩充等功能

文件管理

包括文件存储空间的管理，设备分配，设备处理和虚拟设备等功能

设备管理

主要包括缓冲管理，设备分配，设备处理和虚拟设备等功能

向上层提供服务

给普通用户

命令接口

联机命令接口

也就是交互式命令接口，特点：用户说一句，系统跟着做

脱机命令接口

也就是批处理命令接口，特点就是用户说一堆，系统做一堆

GUI用户图形界面

给软件/程序员用的

程序接口

即系统调用

系统调用也称广义指令

对硬件机的扩展

基本特征

并发

是指两个或者多个事件在同一时间间隔内发生

共享

互斥共享（如对摄像头设备的共享使用）

同时共享方式（如对硬盘资源的共享使用）

异步

虚拟

空分复用技术（如虚拟存储技术）

时分复用技术（如虚拟处理器技术）

发展历程

手工操作阶段（此阶段无操作系统）

缺：人机速度矛盾

批处理阶段（操作系统开始出现）

单道批处理系统（引入脱机输入输出技术）

优点：缓解人机速度矛盾

缺点：资源利用率依然很低

多道批处理系统（操作系统开始出现）

优点:多道程序并发执行，资源利用率高

缺点：不提供人机交互功能

分时操作系统（不可以插队，有了人机交互）

优点：提供人机交互功能

缺点：不能优先处理紧急任务

实施操作系统（可以插队）

硬实时系统

必须要在绝对严格的规定时间内完成处理

软实时系统

能接受偶尔的违法时间规定

优点：能优先处理紧急任务

网络操作系统和分布式计算机系统

个人计算机操作系统

操作系统的运行环境

简单了解程序的运行原理

高级语言编写代码

高级语言编写代码—>机器指令

程序运行的过程就是cpu执行指令的过程

两类程序

内核程序

应用程序

两类指令

特权指令

非特权指令

两种处理器状态

内核态/核心态/管态

用户态/目态

内核

内核时操作系统最重要最核心的部分

由很多内核程序组成的操作系统内核

如何变态

内核态->用户态

一条修改PSW的特权指令

用户态->内核态

由中断引起，硬件自动完成

中断和异常

中断的作用

让操作系统内核强行夺回CPU的控制权

使CPU从用户态转变为内核态

中断的分类

内中断（也称异常，例外）

陷阱，陷入（trap）

故障（fault）

终止（abort）

外中断（也称中断）

时钟中断

I/O中断请求

中断机制的基本实现原理

检查中断信号

内中断：CPU在执行指令时会检查是否有异常发生

外中断：每个指令周期末尾，CPU都会检查是否有外中断信号需要处理

找到相应的中断处理程序

通过中断向量表实现

原语

1）处于操作系统的最底层，是最接近硬件的部分

2）这些程序运行具有原子性，其操作只能一气呵成

3）这些程序的运行时间都很短，而且调用频繁

系统调用

什么是系统调用？

系统给程序员（应用程序）提供唯一的接口，可获得OS的服务。

系统调用与库函数的区别

有的库函数是对系统调用的进一步封装

有的库函数没有使用系统调用

为什么系统调用是必须的

Word和Wps同时打印

系统调用的过程

传参

陷入指令/Trap/访管

由操作系统内核程序处理系统调用请求

返回应用程序

什么功能需要系统调用实现

设备管理

文件管理

进程控制

进程通信

内存管理

体系机构

大内核（宏内核/单内核）

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

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

优点：内核功能少，结构清晰，方便维护

缺点：内核代码庞大，结构混乱，难以维护

分层结构

特性/思想：内核分为多层，每层可以单向调用更低一层提供的接口

优点：1.便于调试和验证，自底向上逐层调试验证。 2.易扩充和易维护，各层之间调用接口清晰固定

模块化

特性/思想：将内核分为多个模块，各模块相互协作。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

优点：1.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。 2.支持动态加载新的内核模块。 3.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

外核

内核负责进程调度，进程通信等功能，外核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

优点：1.外核可直接给用户分配“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。 2.减少了虚拟硬件资源的“映射层”，提升效率

缺点：1.降低了系统的一致性。 2.使系统变得复杂

虚拟机

第一类VMM

对物理资源的控制权：直接运行在硬件上，能直接控制和分配物理资源

资源分配方式：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

性能：性能更好

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

虚拟机的可迁移性：更差

运行模式：第一类VMM运行在最高特权级（Ring0），可以执行最高特权的指令

第二类VMM

对物力资源的控制权：运行在Host OS之上，依赖于Host OS为其分配物理资源

资源分配方式：GuestOS拥有自己的虚拟硬盘，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：性能更差，需要HostOS作为中介

可支持的虚拟机数量：更好，Host OS本身需要使用的物理资源，Hostos上其他进程也需要物理资源

虚拟机的可迁移性：更好，只需要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时对HostOS的系统调用

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