【操作系统】操作系统的发展与分类、运行机制、体系结构

1. 操作系统的发展与分类

1. 批处理阶段——单道批处理系统

引入脱机输入/输出技术（用外围机+磁带完成），并由监督程序负责控制作业的输入、输出。

主要优点:缓解了一定程度的人机速度矛盾，资源利用率有所提升。

主要缺点:内存中仅能有一道程序运行，只有该程序运行结束之后才能调入下一道程序。CPU有大量的时间是在空闲等待I/0完成。资源利用率依然很低。

2. 批处理阶段——多道批处理系统

主要优点:多道程序并发执行，共享计算机资源。资源利用率大幅提升，CPU和其他资源更能保持“忙碌”状态，系统吞吐量增大。

主要缺点:用户响应时间长，没有人机交互功能(用户提交自己的作业之后就只能等待计算机处理完成，中间不能控制自己的作业执行。eg:无法调试程序/无法在程序运行过程中输入一些参数)

3. 分时操作系统

分时操作系统:计算机以时间片为单位轮流为各个用户/作业服务，各个用户可通过终端与计算机进行交互。

主要优点:用户请求可以被即时响应，解决了人机交互问题。允许多个用户同时使用一台计算机，并且用户对计算机的操作相互独立，感受不到别人的存在。

主要缺点:不能优先处理一些紧急任务。操作系统对各个用户/作业都是完全公平的，循环地为每个用户/作业服务一个时间片，不区分任务的紧急性。

4. 实时操作系统

主要优点：能够优先响应一些紧急任务，某些紧急任务不需要时间片排队。

在实时操作系统的控制下，计算机系统接收到外部信号后及时进行处理，并且要在严格的时间限内处理完事件。实时操作系统的主要特点是及时性和可靠性。

硬实时系统：必须在绝对严格的规定时间内完成处理。如导弹控制系统、自动驾驶系统。

软实时系统：能接受偶尔违反时间规定。如12306火车订票系统。

5. 其他几种操作系统

网络操作系统:是伴随着计算机网络的发展而诞生的，能把网络中各个计算机有机地结合起来，实现数据传送等功能，实现网络中各种资源的共享(如文件共享)和各台计算机之间的通信。( 如: Windows NT就是一种典型的网络操作系统，网站服务器就可以使用)

分布式操作系统:主要特点是分布性和并行性。系统中的各台计算机地位相同，任何工作都可以分布在这些计算机上，由它们并行、协同完成这个任务。

个人计算机操作系统:如Windows XP、MacOS，方便个人使用。

2. 操作系统的运行机制

1. 内核程序V.S.应用程序

我们普通程序员写的就是“应用程序”。

2. 特权指令V.S.非特权指令

“指令”就是处理器(CPU) 能识别、执行的最基本命令。在CPU设计和生产的时候就划分了特权指令和非特权指令，因此CPU执行一条指令前就能判断出其类型。

应用程序只能使用“非特权指令”，如：加法指令、减法指令等。

操作系统内核作为“管理者”，有时会让CPU执行一些“特权指令”，如：内存清零指令。这些指令影响重大，只允许“管理者”——即操作系统内核来使用。

3. 内核态V.S.用户态

CPU有两种状态，“内核态”和“用户态”。

处于内核态时，说明此时正在运行的是内核程序，此时可以执行特权指令。

处于用户态时，说明此时正在运行的是应用程序，此时只能执行非特权指令。

扩展：CPU中有一个寄存器叫程序状态字寄存器（PSW），其中有个二进制位，1表示“内核态”，0表示“用户态”。

别名：内核态=核心态=管态。用户态=目态。

内核态->用户态：执行一条特权指令——修改PSW的标志位为“用户态”，这个动作意味着操作系统将主动让出CPU使用权。

用户态->内核态：由“中断”引发，硬件自动完成变态过程，触发中断信号意味着操作系统将强行夺回CPU的使用权。

触发中断信号除了非法使用特权指令之外，还有很多事件会触发中断信号。一个共性是，但凡需要操作系统介入的地方，都会触发中断信号。

3. 操作系统的体系结构

1. 计算机系统的层次结构

生活经验：我们安装完Windows操作系统后，会发现操作系统提供了很多多样化的功能，比如“记事本”，“任务管理器”。然而，这些功能并不是必不可少的，即使没有“任务管理器”，我们仍然可以使用计算机。

2. 操作系统的内核

内核是计算机上配置的底层软件，是操作系统最基本、最核心的部分。

4. 小结