『基础』OS-1计算机系统概述_操作系统发展历程及它的运行环境
操作系统发展历程
常考的三种操作系统对比
| 批操作系统 | 脱机使用计算机；作业是分批处理的；系统内多道程序并发执行；交互能力差 |
|---|---|
| 分时操作系统 | 多个用户同时使用计算机；人机交互强；具有每个用户独立使用计算机的独占性；系统响应及时 |
| 实时操作系统 | 能对控制对象做出及时反应；可靠性高；响应及时；但资源利用率低 |
其它操作系统对比
- Unix 系统是多用户，多任务操作系统，属于分时操作系统
- 单道批处理缺点：只调入一个进程去内存
- 多道批处理缺点：无人机交互能力
小节选择题答案
| 序号 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 答案 | D | D | C | A | D | B | D | C | C | B | C | B | BACD | C |
| 序号 | 15 | 16 | 17 | 18 | 19 | 20 | ||||||||
| 答案 | B | D | B | D | C | D |
错题序号汇总：3、4、5、8、14、16、17、
错题解析
- 多道程序设计的基本特征是：制约性、间断性、共享性，没有顺序性
- 多道批处理是多用户多任务，单道批处理是单用户单任务，是没有多任务系统和多用户系统的说法的
- 资源利用率是多道批处理追求的目标
- B
- A 选项：一个机器周期=CPU 周期，时钟周期也叫 CPU 时钟周期，也叫节拍
- B 选项：实时操作系统必须在被控制对象规定时间内处理来自外部的事件
- C 选项：周转世家是指一个进程从提交到完成的时间
- D 选项：时间片是用与分时操作系统
- 关于分时系统：A
- 分时系统用于交互作业，而不是批处理作业
- 分时系统中每个任务依次轮流使用时间片
- 分时系统的响应时间好
- 分时系统是一种多用户操作系统
- B
- 多处理器操作系统可以使多个进程并行执行
- 批处理系统和实时系统并不是真正意义上的并行执行
- C
- 引入多道程序技术的前提条件之一是系统具有中断功能
- 终端在分时系统中出现
- A
- 关于批处理系统的叙述：
- 批处理系统分为单道批处理系统和多道批处理系统
- 中断技术使得多道批处理系统的 I/O 设备与 CPU 并行工作
操作系统的运行环境
处理器运行的机制
- CPU 执行一条指令前就能判断出其类型（特权指令/非特权指令）
- 如何区分内核态和用户态：CPU 中有一个寄存器叫程序状态寄存器（PSW），其中有个二进制位，1 表示“内核态”，0 表示“用户态”
- 两类程序、两类指令、两种处理器状态关系
- 在内核态，CPU 既可以执行特权指令和非特权指令，在用户态只可以执行非特权指令
| 特权指令 | 非特权指令 |
|---|---|
| I/O 指令 | 数据传送类指令（取数、存数指令） |
| 关中断指令 | 读时钟指令 |
| 内存清零指令 | 加减乘除等算术运算类指令 |
| 存取用于内存保护的寄存器 | 寄存器清零指令 |
| 送 PSW 到程序状态字寄存器 | 压栈/弹栈指令（Push/Pop） |
| 停机指令 | 跳转指令（转移指令–>jump 指令） |
| 置时钟指令（写时钟指令） | trap 指令=陷入指令=自陷指令=访管指令 |
| 广义指令（系统调用） |
内核的功能
内核是 OS 最重要最核心的部分，也是最接近硬件的部分
- 时钟管理：实现计时功能
- 中断处理：负责实现中断机制
- 设备管理：完成设备的请求和释放，以及设备启动等功能
- 文件管理：完成文件的读、写，创建和删除等功能
- 进程管理：完成进程的创建，撤销，阻塞及唤醒功能
- 进程通信：完成进程之间的信息传递或信号传递等功能
- 内存管理：完成内存的分配，回收以及获取作业占用内存区分大小及地址等功能
- 原语：
- 是一种特殊的程序
- 处于操作系统最底层，是最接近硬件的部分
- 该程序运行具有原子性（运行只能一气呵成，不可中断）
- 运行时间较短，调用频繁
中断的作用
- CPU 上会运行两种程序，一种是操作系统内核程序（是整个系统的管理者），一种是应用程序
- 在合适的情况下，操作系统内核会把 CPU 的使用权主动让给应用程序（第二章进程管理相关内容）
- “中断”是让操作系统内核夺回 CPU 使用权的唯一途径
- “中断”会使 CPU 由用户态变为内核态，使操作系统重新夺回对 CPU 的控制权
外中断和内中断（异常和中断控制【结合 OS 学习】）
- 内中断：若当前执行的指令是非法的，则会引发一个中断信号
- 内中断的分类，故障、自陷、终止都属于硬件中断
- 访问主存时发生的校验错误属于外中断
- 内中断故障：除表格内容外，还有存储保护错，访问超时都属于故障
- 内中断终止：除表格内容外，还有总线错属于终止
中断机制的基本原理
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
中断处理程序一定是内核程序，需要运行在“内核态”
系统调用【又叫广义指令】
- 陷入指令是非特权指令
什么功能要用到系统调用
应用程序通过系统调用请求操作系统的服务。而系统种的各种共享资源都由操作系统内核统一掌管，因此凡是与共享资源有关的操作（如存储分配、I/O 操作、文件管理等），都必须通过系统调用的方式向操作系统内核提出服务请求，由操作系统内核代为完成。这样可以保证系统的稳定性和安全性，防止用户进行非法操作
有哪些用到了系统调用？
- 进行文件操作，系统调用有 open 系统调用，close 系统调用，read、write 等
- 进行进程控制，fork 系统调用（保存当前进程情况，创建一个新进程），在内核态完成，exit 系统调用（结束并推出当前进程）
有哪些会从用户态–>内核态
- 用户程序要求操作系统的服务，即系统调用（比如：整数除以零，read 系统调用）
- 发生一次中断，–>由 OS 内核处理中断
- 用户程序中产生了一个错误状态，–>引发异常，由 OS 内核处理
- 用户程序中企图执行一条特权指令
有哪些会从内核态–>用户态
- 中断返回指令，ret 指令（特权指令，在内核态下执行）
- 将 PSW 中模式切换位为 1
小节选择题答案
| 答案 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 序号 | D | C | A | C | D | D | C | D | D | A | A | A | C |
| 序号 | 14 | 15 | 16 | 17 | 18 | 19 | 20 | 21 | 22 | 23 | 24 | 25 | 26 |
| 答案 | D | D | D | C | A | C | B | A | A | C | C | B | D |
| 序号 | 27 | 28 | 29 | 30 | 31 | 32 | 33 | 34 | 35 | 36 | 37 | 38 | |
| 答案 | B | D | D | C | A | D | B | B | C | C | B | D |
22-38 为真题
错题题号汇总：1、3、8、9、10、14、17、24、28、29、31、32、33、38
错题解析
- 关于操作系统的说法：—B
- 在通用操作系统管理下的计算机上运行程序，不需要向操作系统预订运行时间，会自主使用时间片轮转的方式让用户使用
- 在通用操作系统管理下的计算机上运行程序，需要确定起始地址，并从这个地址开始执行
- 高级程序设计语言的编译器是 OS 之上的上层软件，是用户（程序员）在 OS 之上手动配置以及安装的，操作系统不提供
- 管理计算机系统资源（硬件和软件）是操作系统关心的主要问题
- 特权指令只能在内核态中由操作系统使用
- 操作系统通过提供系统调用避免用户程序直接访问外设 （对应 31 题）
- 系统调用是操作系统内核为应用程序提供服务的接口
- 批处理不需要大量内存（批处理出现时间太早，没有那么大需求）
- 当计算机提供了核心态和用户态时，输入/输出指令必须在核心态下执行。（输入/输出指令为特权指令）
- 提供操作系统与外部设备的可靠性主要是在实时操作系统中体现
- 操作系统中，通道技术是一种硬件技术，通道本身是一种硬件
- 关于系统调用的说法：–C
- 屏蔽中断指令主要用在改变设备优先级中，在系统优先级中，没有用到
- 用户程序使用系统调用命令，该命令经过编译后形成若干参数和陷入指令
- 用户程序创建一个新进程，需使用操作系统提供的系统调用接口（fork 系统）
- 当操作系统完成用户请求的系统调用功能后，应使 CPU 从内核态转到用户态
- 系统调用是 OS 内核为用户程序提供的接口（程序接口），【反栗】页置换–分页管理，进程调度–操作系统，生成随机整数是库函数调用，不是系统调用
- A
- 计算机区分核心态和用户态指令后，从核心态到用户态的转换是由操作系统程序执行后完成的，而用户态到核心态的转换是由硬件决定的
- C
- 可在用户态执行的指令是：修改内存单元的值，修改的是用户空间内的单元值
- B
- 在操作系统中，只能在核心态下运行的指令是置时钟指令
- C
- 在操作系统中，只能在核心态下执行的指令是系统调用命令
-
CPU 处于核心态时，可以执行的指令是：除"访管"指令的全部指令
-
操作系统内核程序可以执行特权指令，但不会执行访管指令
执行系统调用在核心态，引入系统调用是在用户态
- B
- 中断处理和子程序调用都需要压栈，以便保护现场，中断处理（意味着发生程序计数器、程序状态寄存器发生）一定会保存而子程序调用不需要保存其内容的是：程序状态寄存器发生 PSW，中断处理需要保存的是发生程序计数器、程序状态寄存器发生 PSW，通用数据寄存器，可能需要保存通用数据寄存器、通用地址寄存器
- B
- 处理外部中断时，应该由操作系统保存的是：通用寄存器的内容
- 程序计数器 (PC)的内容是硬件保存
- 块表 (TLB)、Cache中的内容不保存也可以
- C #todo暂未理解
- 软中断和硬中断：软中断执行中断指令有关，与执行指令有关，其实就是内中断，硬中断由外部引起，具有随机性，由硬件结构决定，相当于外中断
- INT 是陷入指令，引发系统调用，发生异常
-
有关内中断（异常）和外中断（中断），异常由内部引起，中断由外部导致。—A
-
D
-
D
- 与中断相关的操作中，由操作系统完成的是：提供中断服务、初始化中断向量表、保存中断屏蔽字；保存被中断程序的中断点是由硬件完成
- 中断处理是在内核态下，中断响应是在用户态
- B
- 保存断点和程序状态字–>硬件完成
- 保存通用寄存器内容、执行系统调用服务例程，在内核下执行，–>操作系统完成
- 将 CPU 模式改为内核态–>硬件完成
- 在操作系统内核中，中断向量表适合采用的数据结构是数组