操作系统核心概念：异常、中断与I/O管理

"张海 复习2 - 操作系统概论与系统结构" 操作系统是管理和调配计算机硬件资源的一组软件，它确保了系统的稳定运行和高效利用。在操作系统中，异常和中断是处理硬件事件或错误的重要机制。异常通常发生在处理器内部，如除零错误；而中断则可能是外部设备（如键盘、网络接口）或硬件定时器引发的。I/O操作分为编程式I/O、中断驱动I/O（同步和异步）以及直接存储器访问（DMA）。其中，DMA允许数据直接在硬件之间传输，减少了CPU的参与。 批处理系统和分时系统是两种主要的操作系统类型。批处理系统通过多道程序设计实现资源利用率的提升，但缺乏用户交互性。相比之下，分时系统允许多个用户同时使用计算机，提供了较短的响应时间，如时间片轮转，确保多个任务的并发执行。响应时间是衡量分时系统性能的关键指标，包括用户进程数、时间片长度等因素。 系统调用是用户程序与操作系统交互的主要途径，它允许用户级别的进程请求操作系统服务。例如，创建新进程的`fork()`函数。系统调用可以发生在用户模式和内核模式之间的切换中。值得注意的是，发起陷阱指令或从用户模式切换到内核模式并不一定需要特权权限。 在操作系统中，进程和线程是执行单元。进程有运行、就绪和等待三种状态，不能直接从等待状态转换到运行状态。线程模型有多种，如一对一、多对一（多个用户线程对应单个内核线程），这影响了并发执行的效率和复杂性。堆内存是程序动态分配内存的地方，管理不当可能导致内存泄漏等问题。 在讨论操作系统设计时，微内核和单体内核是两种常见的架构。微内核只包含最基本的服务，其他功能作为独立的服务进程运行，提高了系统的稳定性和模块化。而单体内核将大多数服务集成在内核中，可能带来更高的性能但牺牲了部分灵活性。例如，Linux是一个多用户的分时系统，它的内核设计结合了部分微内核思想，但总体上仍属于单体内核架构。 操作系统是计算机系统的核心，负责资源调度、任务管理和用户交互。理解其基本概念、机制和设计原则对于深入学习计算机科学至关重要。