『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

本文主要是介绍『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,希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值,需要的开发者们随着小编来一起学习吧!

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1234567891011121314
答案DDCADBDCCBCBBACDC
序号151617181920
答案BDBDCD

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
  1. 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
  1. 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
  1. 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
  1. 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
  1. 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?

  1. 进行文件操作,系统调用有 open 系统调用,close 系统调用,read、write 等
  2. 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

  1. 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)
  2. 发生一次中断,–>由 OS 内核处理中断
  3. 用户程序中产生了一个错误状态,–>引发异常,由 OS 内核处理
  4. 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

  1. 中断返回指令,ret 指令(特权指令,在内核态下执行)
  2. 将 PSW 中模式切换位为 1

小节选择题答案

答案12345678910111213
序号DCACDDCDDAAAC
序号14151617181920212223242526
答案DDDCACBAACCBD
序号272829303132333435363738
答案BDDCADBBCCBD

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

  1. 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
  1. 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
  1. 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
  1. 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
  1. 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
  1. 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
  1. 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

  2. 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

  1. 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
  1. 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
  1. 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
  1. 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

  2. D

  3. 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
  1. 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
  1. 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

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