操作系统概念

需了解操作系统的特征和发展历程，可能在选择题中考察。

概念

操作系统是计算机系统中的一个核心软件组件，负责管理和控制计算机硬件，为用户和应用程序提供服务。

操作系统特征

  1. 并发（Concurrence）：操作系统具备同时处理和调度多个程序的能力。
  2. 共享（Sharing）：系统中的资源可供内存中多个并发的进程共同使用。
  3. 虚拟（Virtual）：将物理的实物虚拟为逻辑上的对应物。
  4. 异步（Asynchronism）：任务可以不按固定的顺序执行，因此同一操作的结果可能因执行的时序而异。

目标和功能

  • 作为用户语句计算机硬件系统之间的接口。
  • 作为计算机系统资源的管理者。
  • 实现了对计算机资源的抽象。

发展历程

  1. 手工操作阶段：
    • 时间背景：计算机的早期阶段。
    • 特点：没有操作系统，用户直接使用计算机硬件。
    • 操作方式：用户在一个时刻将自己的程序载入计算机，然后执行。执行完毕后，将结果记录并释放计算机。
    • 问题：效率低，CPU大部分时间处于空闲状态。
  2. 批处理操作系统：
    • 单道批处理系统：
      • 特点：系统一次只执行一个任务。完成后再执行下一个。
      • 操作方式：用户的多个作业被收集到一个作业队列中，操作系统按照队列的顺序逐一执行。
      • 问题：CPU利用率仍然不高，因为在I/O操作时，CPU仍然处于空闲状态。
    • 多道批处理系统：
      • 特点：在内存中同时加载多个作业，并使它们共享CPU。
      • 操作方式：当一个作业进行I/O操作时，CPU可以切换到另一个作业，从而提高了CPU的利用率。
      • 优势：提高了系统吞吐量和CPU利用率。
  3. 分时操作系统：
    • 时间背景：20世纪60年代。
    • 特点：允许多个用户通过终端同时访问计算机。
    • 操作方式：操作系统为每个用户提供了一个“虚拟机”的概念，使每个用户感觉自己独占了整个系统。实际上，系统在用户之间快速切换，为每个用户提供少量的CPU时间。
    • 优势：提高了交互性和多用户并发访问的能力。
    • 示例：Unix操作系统在其初期就是一个分时系统。
  4. 实时操作系统：
    • 特点：系统必须在严格的时间限制内响应外部输入。
    • 分类：
      • 硬实时系统：不满足时限会导致严重的后果，如飞行控制系统。
      • 软实时系统：不满足时限可能会降低系统的性能，但不会导致灾难，如多媒体播放器。
    • 操作方式：实时操作系统的任务调度是基于优先级的，且通常会预先定义每个任务的执行时间。
    • 优势：满足特定应用场景的实时需求，如嵌入式系统和工业控制系统。

操作系统引导

引导流程

BIOS
MBR
GRUB
Kernel
Init
Run Level
从 ROM 中读取 bios 并执行
bios 会去 MBR 中读取 bootloader
bootloader 负责从相应分区加载 os 内核进入内存
操作系统内核进行初始化
初始化完再执行一些外围程序

操作系统引导的具体流程如下：

  1. 电源开机（Power-On）：
    • 当你按下计算机的电源键时，电源开始向主板和各个硬件供电。此时，系统首先进行加电自检。这个过程是由存储在主板ROM芯片中的基本输入/输出系统（BIOS）或统一可扩展固件接口（UEFI）固件执行的。
  2. BIOS/UEFI 阶段：
    • BIOS/UEFI会读取启动设备的首扇区（MBR或GPT），其中包含引导加载器（Bootloader）的代码。
  3. 引导加载器（Bootloader）：
    • 引导加载器是一小段程序，它的主要任务是加载操作系统内核。
    • 常见的 bootloader 有
      • GRUB（Grand Unified Bootloader）： 常用于Linux系统，功能强大，支持多系统引导。
      • Windows Boot Manager： Windows操作系统的引导管理器。
    • 引导加载器会将操作系统内核从存储设备（通常是硬盘）加载到内存中。
  4. 加载操作系统内核：
    • 操作系统内核是操作系统的核心部分，负责管理系统的各种资源，如内存、进程、设备等。引导加载器将内核加载到内存后，会将控制权交给内核。
  5. 内核初始化：
    • 操作系统内核开始运行并进行自我初始化。它会检测和配置系统上的硬件资源，例如设置中断、初始化设备驱动、建立内存管理结构等。
  6. 启动系统服务和守护进程：
    • 在内核初始化后，它会启动一系列的系统进程或服务来管理各种系统任务。