计算机操作系统概述

2026-05-19

第一章_计算机操作系统概述

1.1 操作系统的基本概念

1.1.1 操作系统的功能和目标

1.1.1.1 资源的管理者

操作系统具备四大核心功能：

处理机管理： 在多道程序环境下，处理机的分配和运行都以进程（或线程）为基本单位，因此处理机管理本质上是对进程的管理。并发是指多个进程在一段时间内交替执行，宏观上呈现同时运行的特征。进程管理的主要任务包括进程控制、进程同步、进程通信、死锁处理以及处理机调度等。
存储器管理： 存储器管理旨在为多道程序提供良好的内存运行环境，方便用户使用并提高内存利用率，主要功能包括内存分配与回收、地址映射、内存保护与共享，以及内存扩充等。
文件管理： 用户可见的持久化信息通常以文件形式组织。操作系统中负责文件管理的部分称为文件系统，其功能包括文件存储空间的管理、目录管理、文件读 / 写操作及访问保护等。
设备管理： 设备管理的主要任务是处理用户的 I/O 请求，屏蔽设备差异，方便用户使用各类外设，并提高设备利用率，主要包括缓冲管理、设备分配、设备驱动处理和虚拟设备等功能。上述任务均由 “工人”（操作系统）自动完成，“雇主”（用户）无须关注。

这也是整个考研操作系统需学习的四大部分。

1.1.1.2 向上层提供的服务

一张图概括，注意考研可能会考选择题：注意：指令集是硬件向软件提供的接口，而操作系统提供的接口（系统调用（System Call））在其之上，是提供给应用程序的接口，长的就像 C 语言中的库函数。

1.1.2 操作系统的特征

操作系统具有下面四个特征：

并发： 并发是宏观上并行，微观上可能是串行可能是并行。注意和并行区分，并行是宏观和微观上都是并行。
共享： 如图所示：
虚拟： 如图所示：
异步： 如图所示：

重要考点： 理解并发和并行的区别。并发和共享互为存在条件。没有并发和共享，就谈不上虚拟和异步，因此并发和共享是操作系统重两个最基本的特征。

1.2 操作系统的发展和分类

本小节思维导图如下图所示：挑几个重要点的进行介绍：

单道批处理系统： 系统先将一批作业以脱机的方式输入到磁带，并配一个监督程序，在其控制下，作业能自动、顺序地逐个运行。如下图所示：
多道批处理系统： 在这个阶段，操作系统开始出现。用户提交的作业首先存放在外存的后备队列中。作业调度程序按一定算法从该队列中选取若干作业调入内存，使其在管理程序的控制下并发执行，并共享系统资源。当某道程序因 I/O 请求而暂停运行时，CPU 立即切换至另一就绪程序继续执行。该机制依赖 中断技术，使系统各部件尽可能保持忙碌，从而显著提升整体吞吐量和资源利用率。这种采用多道程序设计技术的批处理系统统称为多道批处理系统，它将用户作业成批送入内存，由作业调度程序自动选择运行。
分时操作系统： 分时技术是指将处理器时间划分为很短的时间片，轮流分配给各用户程序使用。若某程序在其时间片内未完成计算，则暂停运行，释放处理器给其他用户程序，待下一轮再继续执行。由于计算机运行速度极快，程序轮转迅速，每个用户均能获得 “独占计算机” 的交互体验。
实时操作系统： 分时操作系统具有严格是时限性，系统必须在严格是限定时间内对外部事件做出响应。不能够处理紧急事件，为此，实时操作系统应运而生。实时操作系统放弃的时间片的轮转机制，转而采用基于任务紧迫性或截止时间的调度策略，确保高优先级能够及时获得处理器资源。

1.3 操作系统的运行环境

1.3.1 操作系统的运行机制

本小节思维导图如下图所示：现代操作系统通常采用分层架构，将与硬件紧密相关的模块（如中断处理程序、设备驱动程序）、运行频率较高的模块（如时钟管理、进程调度），以及各模块共用的基础操作，集中置于紧靠硬件的层次并常驻内存。这部分核心组件被称为 操作系统内核。这种设计有两个主要目的：一是保护核心模块免受应用程序破坏；二是提升操作系统的运行效率。不同操作系统的内核功能存在一定差异，但大多数都包含以下两类功能（以大内核为例）：

支撑功能：
1. 时钟管理
2. 中断机制
3. 原语
系统资源管理功能：
1. 进程管理
2. 存储器管理
3. 设备管理

关于 特权指令和非特权指令：我们普通人写的 应用程序，就只能运用 非特权指令。操作系统开发者写的 内核程序，就能够使用 特权指令，如内存清零等。

关于 内核态和用户态：为确保操作系统正确运行，必须严格区分操作系统代码与用户程序的执行环境。绝大多数计算机系统通过硬件支持实现这一区分，即为处理机设置至少两种独立的运行模式：用户态（也称目态） 和 内核态（也称管态或系统态）。硬件通过一个模式位（在 PSW 寄存器中）标识当前运行模式（例如 0 表示内核态，1 表示用户态），从而明确当前执行的是系统任务还是用户任务。

内核态和用户态如何进行切换如下图所示：