第一章计算机系统概述

操作系统的概念与功能

概念

• 负责管理协调硬件、软件等计算机资源，为上层用户、应用程序提供简单易用的服务，是一种系统软件

功能和目标

• 资源的管理者

  • 处理机管理
  • 存储器管理
  • 文件管理
  • 设备管理

• 向上层提供服务

  • 普通用户

    • GUI用户图形界面

    • 命令接口

      • 联机命令接口

        • 小黑窗就是一种交互式命令接口

      • 脱机命令接口

  • 程序员

    • 程序接口

      • 即系统调用

• 对硬件机器的扩展

  • 通常把覆盖了软件的机器称为扩充机器，又称为虚拟机

操作系统的特征

并发

• 并发性是指程序宏观上同时运行，微观上交替运行。
• 随着多道程序技术而出现的，因此操作系统和程序并发是一起诞生的
• 单核CPU同一时刻只能执行一个程序，各个程序只能并发执行，多核可以并行
• 操作系统最基本的特性

共享

• 资源共享，系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程共同使用，是第二基本的特征

• 两种方式

  • 互斥共享

  • 同时共享

    • 一个时间段内多个进程“同时”访问

      • 大多数情况这个同时是宏观上的

虚拟

• 把一个物理上的实体变为若干逻辑上的对应物。用于实现虚拟的技术称为虚拟技术

• 虚拟处理器技术

  • 时分复用技术

• 虚拟存储器技术

  • 空分复用技术

异步

• 多道程序环境下，允许多个程序并发执行，但由于资源有限，进程的执行不是一贯到底的，而是走走停停，以不可预知的速度向前推进，这就是进程的异步性

OS的发展与分类

手工操作阶段

批处理阶段

• 单道批处理系统

  • 引入脱机输入/输出，并由监督程序负责控制作业的输入、输出

  • 缺点

    • 内存中仅有一道程序运行
    • CPU有大量的时间是在空闲等待I/O完成

• 多道批处理系统

  • 每次往内存中读入多道程序，并发执行

  • 缺点

    • 用户响应时间长

      • 提交作业后就只能等待计算机处理完成，中间不能对其进行控制

    • 没有人机交互功能

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

• 优点

  • 解决了人机交互问题

• 缺点

  • 不能优先处理一些紧急任务

实时操作系统

• 优点

  • 能够优先响应一些紧急的任务
  • 及时性和可靠性

• 两类

  • 硬实时系统

    • 必须在绝对严格的规定时间内完成处理

  • 软实时系统

    • 能接受偶尔违反时间规定

      • 12306

网络操作系统

• 把网络中各个计算机有机结合起来，实现数据传送，实现网络中各种资源的共享和各台计算机之间的通信

分布式操作系统

• 分布性和并行性
• 各台计算机地位相同，并行协同完成任务

个人计算机操作系统

运行机制

两种指令

• 特权指令
• 非特权指令

两种处理器状态

• 内核态（核心态、管态）

  • 此时运行的是内核程序，可以执行特权指令

    • PSW（程序状态寄存器）其中有个位1表示内核态，0表示用户态。
    • 开机的时候就是处于内核态
    • 用户态到内核态由中断引发，硬件自动完成变态过程，触发中断信号意味着系统强行夺回CPU的使用权

• 用户态（目态）

  • 运行的是应用程序，只能执行非特权指令

两种程序

• 内核程序

  • 操作系统最核心的部分，操作系统可以只有内核，但操作系统的功能不一定全在内核中，例如GUI
  • 管理者

• 应用程序

  • 只能使用非特权指令

• CPU能判断出一条指令时特权还是非特权

中断和异常

中断的作用

• 操作系统夺回CPU使用权的唯一途径
• 没有中断，就没有并发

中断的类型

• 内中断（“异常”）

  • 与当前执行的指令有关，中断信号来源于CPU内部。CPU执行指令的时候会检查

  • 例子

    • 陷入指令

      • 应用程序主动请求系统内核的服务时会执行一条特殊的指令，会引发一个内部中断
      • 应用程序主动把CPU控制权交给操作系统
      • 例如系统调用
      • 注意不是特权指令

    • 故障（fault）

      • 错误引起的，可能被内核程序修复，修复完后把CPU使用权还给应用程序。例如缺页故障

    • 中止（abort）

      • 致命错误，不会把CPU还给应用程序。执行非法指令例如除数0、用户态执行特权指令

• 外中断

  • 与当前执行的指令无关，中断信号来源于CPU外部
  • 每一条指令执行结束时（指令周期末尾），CPU会例行检查是否有外部中断信号。

  • 例子

    • 时钟中断

      • 时钟部件发来的中断信号

    • I/O中断

      • 输入输出设备发来中断信号

• 不少教材中的中断是指外中断，而把内中断叫做异常

中断机制基本原理

• 不同的中断信号需要不同的中断程序处理。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”，来找到中断处理程序在内存中的位置

系统调用(广义指令)

应用程序可以通过系统调用来请求获得操作系统内核的服务

凡是与资源有关的操作，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。

按功能分类

• 设备管理
• 文件管理
• 进程控制
• 进程通信
• 内存管理

操作系统体系结构

大内核/单内核/宏内核

• 与硬件紧密关联

• 优点

  • 高性能

• 缺点

  • 内核代码庞大，结构混乱，难以维护

微内核

• 一些系统资源管理功能更多的是对数据结构的操作，不直接涉及硬件，因此有些人将其从内核中去掉，

• 优点

  • 内核功能少，结构清晰易维护

• 缺点

  • 需要频繁地在核心态和用户态之间切换，性能低

//这里填你的代码^^
//注意代码要放在两组三个点之间，才可以正确显示代码高亮哦~

//这里填你的代码^^
//注意代码要放在两组三个点之间，才可以正确显示代码高亮哦~

n = int(input())
used=[False for i in range(n+1)]
cur=[]
def dfs(u,cur,n):
    if u==n+1:
        for i in cur:
            print(i,end=' ')
        print()
        return
    for i in range(1,n+1):
        if not used[i]:
            cur.append(i)
            used[i]=True
            dfs(u+1,cur,n)
            cur.pop()
            used[i]=False

dfs(1,cur,n)    

n,m=map(int,input().split(' '))

res=[[0 for j in range(m)] for i in range(n)]
dx=[-1,0,1,0]
dy=[0,1,0,-1]

x=0
y=0
d=1
for i in range(1,m*n+1):
    res[x][y]=i
    a,b=x+dx[d],y+dy[d]
    if a<0 or a>=n or b<0 or b>=m or res[a][b]:
        d=(d+1)%4
    x,y=x+dx[d],y+dy[d]

for i in range(n):
    for j in range(m):
        print(res[i][j],end=' ')
    print()

op=input()
a=[]
for i in range(12):
    a.append(list(map(float,input().split(' '))))

sum=0.0
t=0
for i in range(12):
    for j in range(i+1,12):
        sum+=a[i][j]
        t+=1
if op =='M':
    print("%.1lf"%(sum/t))
else:
    print("%.1lf"%(sum))

from math import*
def is_prime(x):
    if x < 2:
        return False;
    for i in range(2,int(sqrt(x))+1):
        if x%i==0:
            return False
    return True
n=int(input())
for i in range(n):
    x=int(input())
    if is_prime(x):
        print("%d is prime"%(x))
    else:
         print("%d is not prime"%(x))

while True:
    x=int(input())
    if x == 0:
        break
    for i in range(1,x+1):
        print(i,end=' ')
    print()

s=input()
print(len(s))