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2019考研计算机基础:操作系统电子讲义详解与目标
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更新于2024-07-16
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本资源为《2019文都计算机考研操作系统基础课程电子讲义》。该讲义详细阐述了计算机操作系统的核心内容,分为六个章节,包括操作系统概述、进程管理、内存管理、文件管理、输入输出管理和总结。以下是主要内容概要: 1. 操作系统概述: - 操作系统是计算机系统的基础软件,其概念涉及对硬件和用户程序的控制与管理,目的是为用户提供统一、高效的接口,并有效管理资源,如CPU、内存、I/O设备等。它有三个主要目标:方便性(提供一致的用户界面)、有效性(资源管理和优化工作流程)、可扩充性和开放性(支持新功能添加和标准化互操作)。 2. 进程管理: - 介绍进程与线程的区别,处理机调度策略,以及同步与互斥的概念,同时讲解了避免死锁的策略。 3. 内存管理: - 内存管理基础包括物理内存的分配和回收,虚拟内存的使用则允许操作系统模拟更大的内存空间,提高系统的灵活性。 4. 文件管理: - 文件系统的基础概念,如文件组织方式,文件系统的设计与实现,以及磁盘组织与管理方法。 5. 输入输出管理: - I/O管理概述了系统的I/O核心子系统,以及如何优化I/O操作以提高效率。 6. 总结: - 整理了前五个章节的主要内容,强调了操作系统在现代计算机中的核心地位及其发展趋势。 通过学习这份讲义,考生可以深入理解操作系统的工作原理,掌握关键概念和技术,为计算机考研打下坚实的基础。无论是对操作系统原理的理解,还是实际操作系统的应用,都是备考过程中必不可少的部分。
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考研计算机基础课程—操作系统电子讲义
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又发布了 Windows 3.0 版本,随后又宣布了 Windows 3.1 版本,它们主要是针对 386 和
486 等 32 位微机开发的,较之以前的操作系统有着重大的改进,引入了友善的图形用户界
面,支持多任务和扩展内存的功能,使计算机更好使用,从而成为 386 和 486 等微机的主
流操作 系统。
1995 年微软公司推出了 Windows 95,它较之以前的 Windows 3.1 有许多重大改进,
采用了全 32 位的处理技术,并兼容以前的 16 位应用程序,在该系统中还集成了支持
Internet 的网络功能。1998 年微软公司又推出了 Windows 95 的改进版 Windows 98,它已
是最后一个仍然兼容以前的 16 位应用程序的 Windows,其最主要的改进是把微软公司自
己开发的 Internet 浏览器整合到系统中,大大方便了用户上网浏览,另一个特点是增加了
对多媒体的 支持。2001 年微软又发布了 32 位版本的 Windows XP,同时提供了家用和商
业工作站两种版本,它是当前使用最广泛的个人操作系统。2001 年还发布了 64 位版本的
Windows XP。
3. 多用户多任务操作系统
多用户多任务操作系统的含义是,允许多个用户通过各自的终端,使用同一台机器,共
享主机系统中的各种资源,而每个用户程序又可进一步分为几个任务,使它们能并发执行,
从而可进一步提高资源利用率和系统吞吐量。
在大、中和小型机中所配置的大多是多用户多任务操作系统,而在 32 位微机上,也有
不少配置的是多用户多任务操作系统,其中最有代表性的是 UNIX OS。
(1) Solaris OS:SUN 公司于 1982 年推出的 SUN OS 1.0 是一个运行在 Motorola
680x0 平台上的 UNIX OS。在 1988 年宣布的 SUN OS 4.0 把运行平台从早期的 Motorola
680x0 平 台迁移到 SPARC 平台,并开始支持 Intel 公司的 Intel 80x86;1992 年 SUN 发
布了 Solaris 2.0。 从 1998 年开始,Sun 公司推出 64 位操作系统 Solaris 2.7 和 2.8,这
几款操作系统在网络特性、互操作性、兼容性以及易于配置和管理方面均有很大的提高。
(2) Linux OS:Linux 是 UNIX 的一个重要变种,最初是由芬兰学生 Linus Torvalds 针
对 Intel 80386 开发的。1991 年在 Internet 网上发布第一个 Linux 版本,由于源代码公开,
因此有很多人通过 Internet 与之合作,使 Linux 的性能迅速提高,其应用范围也日益扩大。
相应地,源代码也急剧膨胀,此时它已是具有全面功能的 UNIX 系统,大量在 UNIX 上运
行的软件(包括 1000 多种实用工具软件和大量的网络软件)被移植到 Linux 上,而且可以
在主要的微机上运行,如 Intel 80x86 Pentium 等。
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1.3 操作系统的运行环境
1.3.1 内核态与用户态
特权指令:有少数指令是为编制系统管理程序专门设置的,只有操作系统才能使用。如
果用户误用这些特权指令,称为非法指令,将引发故障中断。
(1) 有关 I/O 的指令。
(2) 访问程序状态字寄存器的指令。
(3) 存取特殊寄存器(如用于内存保护的寄存器)的指令。
(4) 其他访问系统状态和直接访问系统资源的指令等。
多数系统将处理器工作状态划分为内核态和用户态。前者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;后者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。
目态:程序执行时不可使用特权指令,I/O 指令、时钟设置、中断机制、系统管理等,
是用户程序运行时的状态,较低的特权级别,普通态(普态)、用户态。
管态:程序执行时可以使用特权指令。执行系统管理程序,特权态、系统态、内核态、
核心态。
?CPU 如何判断用户程序和系统程序
程序状态字 PSW
记录 CPU 的运行模式和状态信息
一类是反映当前指令执行结果的各种状态信息,称为状态标志,如进位标志位(CF)、溢
出标志位(OF)、结果正负标志位(SF)、结果是否为 0 标志位(ZF)、奇偶标志位(PF)等;
一类存放控制信息,称为控制状态,如中断标志位(IF)、CPU 的工作状态位(核心态还
是用户态)等。
?状态如何转变
核心态到用户态 --修改 PSW
用户态到核心态 --用户不能修改 PSW
--系统调用
--访管指令
① 通过中断实现从用户态到核心态的改变。
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② 在核心态下由操作系统代替用户完成其请求(指定的操作)。
③ 操作系统完成指定操作后再通过修改程序状态字(PSW)由核心态切换回用户态。
注意:访管指令不是特权指令。用户从用户态进入内核态必定通过访管指令。从内核态
返回用户态可以修改状态字实现。
“访管指令”是在目态(用户态)下执行的指令。当源程序中有需要操作系统服务的要
求时,编译程序就会在由源程序转换成的目标程序中安排一条“访管指令”并设置一些参数。
当目标程序执行时,中央处理器若取到了“访管指令”就产生一个中断事件,中断装置就会
把中央处理器转换成管态,并让操作系统处理该中断事件。操作系统分析访管指令中的参数,
然后让相应的“系统调用”子程序为用户服务。系统调用功能完成后,操作系统把中央处理
器的管态改为目态,并返回到用户程序。 值得注意的是,访管指令不是特权指令。特权指
令是指用于操作系统或者系统软件的指令,一般不给用户使用。
1.3.2 中断、异常
中断是指程序执行过程中,当发生某个事件时,中止 CPU 上现行程序的运行,引出处
理该事件的程序执行的过程。从中断事件的性质和激活的手段来说,可以分成两类: 强迫
性中断事件和自愿性中断事件。强迫性中断事件不是正在运行的程序所期待的,而是由于某
种事故或外部请求信息所引起的,分为:机器故障中断事件。程序性中断事件。外部中断事
件。输入输出中断事件。自愿性中断事件是正在运行的程序所期待的事件。正在运行的程序
对操作系统有某种需求,一旦机器执行到一条访管指令时,便自愿停止现行程序的执行而转
入访管中断处理程序处理。
按照中断信号的来源,可把中断分为外中断和内中断两类: 外中断(又称中断)指来自
处理器和主存之外的中断。内中断(又称异常)指来自处理器和主存内部的中断。外中断包括:
电源故障中断、时钟中断、控制台中断、它机中断和 I/O 中断等。不同的中断具有不同的中
断优先级,处理高一级中断时,往往会屏蔽部分或全部低级中断。内中断包括:通路校验错、
主存奇偶错、非法操作码、地址越界、页面失效、调试指令、访管中断、算术操作溢出等各
种程序性中断。异常是不能被屏蔽的,一旦出现应立即响应并加以处理。
中断和异常的区别:中断是由与现行指令无关的中断信号触发的(异步的),且中断的发
生与 CPU 处在用户模式或内核模式无关,在两条机器指令之间才可响应中断,一般来说,
中断处理程序提供的服务不是为当前进程所需的,如时钟中断、硬盘读写服务请求中断;异
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常是由处理器正在执行现行指令而引起的,一条指令执行期间允许响应异常,异常处理程序
提供的服务是为当前进程所用的。异常包括很多方面,有出错(fault),也有陷入(trap)。
出错和陷入的区别如下:它们发生时保存的返回指令地址不同,出错保存指向触发异常
的那条指令,而陷入保存指向触发异常的那条指令的下一条指令。异常返回时,出错会重新
执行那条指令,而陷入就不会重新执行那条指令。缺页异常是一种出错,陷入主要应用在调
试中。
中断和异常要通过硬件设施来产生中断请求,可看作硬中断。不必由硬件发信号而能引
发的中断称软中断,软中断是利用硬件中断的概念,用软件方式进行模拟,实现宏观上的异
步执行效果。软中断是由内核或进程对某个进程发出的中断信号,可看作内核与进程或进程
与进程之间用来模拟硬中断的一种信号通信方式。
处理中断事件的程序称为中断处理程序。它的主要任务是处理中断事件和恢复正常操作。
不同中断源对应不同中断处理程序,故快速找到中断处理程序的入口地址是一个关键问题。
中断处理程序主要做四项工作:保护未被硬件保护的一些必需的处理状态。识别各个中断源,
分析产生中断的原因。处理发生的中断事件。恢复正常操作。
图 1-7 中断处理过程
1、中断的优先级 :计算机执行的每一瞬间,可能有几个中断事件同时发生,中断装置
如何来响应同时发生的中断呢?它按照预定顺序来响应,这个预定顺序称中断的优先级,首
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先响应优先级高的中断事件。
2、中断的屏蔽:主机可允许或禁止某类中断的响应,如允许或禁止所有的 I/O 中断、
外部中断、及某些程序性中断。有些中断是不能被禁止的,例如,计算机中的自愿性访管中
断就不能被禁止。
3、多重中断事件的处理 :中断正在进行处理期间,这时 CPU 又响应了新的中断事件,
于是暂时停止正在运行的中断处理程序,转去执行新的中断处理程序,这就叫多重中断(又
称中断嵌套),对多个不同类型的中断,区别不同情况作如下处理:
1)禁止再发生中断:运行中断处理程序时,对任何新产生的中断不予理睬,这可以通
过屏蔽某些中断来实现。
2)允许中断
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。因此异常又称为软中断。
1.3.3 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。
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