# 1.1 操作系统的概念、特征和功能

## 一、操作系统的概念

### 1.1 什么是操作系统

**操作系统（Operating System, OS）** 是控制和管理计算机硬件和软件资源、合理组织计算机工作流程、方便用户使用的**系统软件**。

操作系统是计算机系统中最基本的系统软件，是用户和计算机硬件之间的**接口**。

### 1.2 操作系统的地位

```
用户
 ↓
应用程序（软件）
 ↓
操作系统（OS）
 ↓
计算机硬件
```

操作系统是**裸机上的第一层软件**，是对硬件系统的第一次扩充。

### 1.3 操作系统的目标

1. **方便性**：使计算机系统易于使用
2. **有效性**：提高系统资源的利用率
3. **可扩充性**：便于增加新的功能和模块
4. **开放性**：遵循标准规范，实现软硬件的互连

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## 二、操作系统的特征

### 2.1 并发（Concurrence）

**并发**：两个或多个事件在**同一时间间隔内**发生。

**并行**：两个或多个事件在**同一时刻**发生。

**注意**：
- 单处理机系统中，程序只能并发执行，不能并行执行
- 多处理机系统中，程序可以并行执行
- 并发是操作系统最基本的特征

### 2.2 共享（Sharing）

**共享**：系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程共同使用。

**共享方式**：
- **互斥共享**：资源在一段时间内只允许一个进程访问（如打印机）
- **同时共享**：资源在一段时间内允许多个进程同时访问（如磁盘）

**注意**：并发和共享是操作系统的两个最基本特征，**互为存在条件**。

### 2.3 虚拟（Virtual）

**虚拟**：通过某种技术把一个物理实体变为若干个逻辑上的对应物。

**虚拟技术**：
- **时分复用**：如虚拟处理机、虚拟设备
- **空分复用**：如虚拟存储器

**例子**：
- 虚拟内存：将物理内存和磁盘结合，为用户提供比实际内存更大的地址空间
- 虚拟处理器：通过分时技术，让每个用户感觉自己独占CPU

### 2.4 异步（Asynchronism）

**异步（不确定性）**：进程的执行是**走走停停**的，以不可预知的速度向前推进。

**原因**：
- 多个进程并发执行，共享资源
- 进程的执行受系统环境的影响

**特征**：只要运行环境相同，OS需要保证程序运行的**可再现性**。

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## 三、操作系统的功能

### 3.1 处理机管理功能

**主要任务**：
- 进程控制：创建、撤销、挂起、激活进程
- 进程同步：协调多个进程的运行
- 进程通信：实现进程之间的信息交换
- 调度：作业调度和进程调度

### 3.2 存储器管理功能

**主要任务**：
- 内存分配与回收
- 内存保护：确保每个用户程序仅在自己的内存空间运行
- 地址映射：将逻辑地址转换为物理地址
- 内存扩充：利用虚拟存储技术扩充内存

### 3.3 设备管理功能

**主要任务**：
- 缓冲管理：缓和CPU与I/O设备速度不匹配的矛盾
- 设备分配：根据用户请求分配设备
- 设备处理：实现CPU与设备控制器之间的通信
- 设备独立性：用户程序与物理设备无关

### 3.4 文件管理功能

**主要任务**：
- 文件存储空间管理
- 目录管理
- 文件的读/写管理和保护

### 3.5 操作系统与用户之间的接口

**用户接口**：
- **命令接口**：联机命令接口（交互式）、脱机命令接口（批处理）
- **程序接口**：系统调用（用户程序请求OS服务的唯一途径）
- **图形接口**：图形用户界面（GUI）

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## 四、操作系统的类型

### 4.1 批处理系统

**特点**：
- 用户脱机使用计算机
- 作业成批处理
- 多道程序运行

**优点**：资源利用率高，系统吞吐量大
**缺点**：无交互性，作业周转时间长

### 4.2 分时系统

**特点**：
- 多路性：多个用户同时使用
- 交互性：用户与系统进行人机对话
- 独立性：各用户独立操作
- 及时性：用户请求能在短时间内获得响应

**时间片**：将CPU时间划分为很短的时间片，轮流分配给各个终端用户。

### 4.3 实时系统

**特点**：
- 及时响应
- 高可靠性

**类型**：
- **硬实时系统**：必须在规定时间内完成（如工业控制）
- **软实时系统**：偶尔违反时间规定无致命后果（如多媒体系统）

### 4.4 网络操作系统

**特点**：
- 网络通信
- 资源共享
- 网络服务

### 4.5 分布式操作系统

**特点**：
- 分布性：任务分布在多个处理机上
- 并行性：任务可并行执行
- 透明性：用户无需知道资源的具体位置
- 共享性：资源共享
- 健壮性：单点故障不影响整体

### 4.6 嵌入式操作系统

**特点**：
- 专用性强
- 实时性要求高
- 资源受限

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## 五、操作系统的运行环境

### 5.1 硬件支持

- **定时器**：实现时间片轮转调度
- **中断机制**：处理外部事件
- **特权指令**：只能在核心态执行
- **内存保护机制**：防止进程越界访问

### 5.2 两种运行状态

**核心态（管态、内核态）**：
- 运行操作系统程序
- 可以执行所有指令
- 可以访问所有内存

**用户态（目态）**：
- 运行用户程序
- 只能执行非特权指令
- 只能访问用户空间

**状态转换**：
- 用户态 → 核心态：中断、异常、系统调用
- 核心态 → 用户态：修改程序状态字

### 5.3 中断与异常

**中断（外中断）**：来自CPU执行指令以外的事件
- 如I/O中断、时钟中断

**异常（内中断、陷入）**：来自CPU执行指令内部的事件
- 如地址越界、算术溢出、系统调用

**中断处理过程**：
1. 关中断
2. 保存断点
3. 引出中断服务程序
4. 保存现场和屏蔽字
5. 开中断
6. 执行中断服务程序
7. 关中断
8. 恢复现场和屏蔽字
9. 开中断、中断返回

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## 六、操作系统体系结构

### 6.1 简单结构（无结构）

早期的MS-DOS等，没有清晰的结构。

### 6.2 模块化结构

将操作系统按功能划分为若干模块，各模块之间通过接口通信。

**优点**：提高开发效率，增强可维护性
**缺点**：接口定义困难，模块间关系复杂

### 6.3 分层式结构

将操作系统分为若干层，每层只能调用下层提供的服务。

**优点**：便于调试和验证，易于扩充
**缺点**：效率较低，功能划分困难

### 6.4 微内核结构

将最基本的功能放入微内核，其他服务功能移到用户态的服务器。

**微内核功能**：
- 进程（线程）管理
- 低级存储管理
- 中断和陷入处理
- 进程间通信

**优点**：
- 提高了系统的可扩展性
- 增强了系统的可靠性
- 提高了系统的可移植性

**缺点**：性能较低（需要频繁的用户态和核心态切换）

### 6.5 外核结构

让内核分配硬件资源给应用程序，由应用程序自己管理资源。

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## 七、考研重点

1. **操作系统的概念**：定义、地位、目标
2. **四大特征**：并发、共享、虚拟、异步
3. **五大功能**：处理机、存储器、设备、文件、接口管理
4. **操作系统类型**：批处理、分时、实时、网络、分布式、嵌入式
5. **运行环境**：核心态与用户态、中断与异常
6. **体系结构**：简单、模块化、分层、微内核、外核

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*下一节：1.2 操作系统的发展与分类*