2023-06-30 17:08:20 +08:00
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title: "《操作系统》计算机系统概述"
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date: 2022-08-18T15:53:40+08:00
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## 操作系统的基本概念
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### 操作系统的概念
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* 负责管理协调硬件、软件等计算机资源的工作
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* 操作系统为上层用户，应用程序提供简单易用的服务
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* 操作系统是一种系统软件
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### 操作系统的特征
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* 并发和共享是最基本的两个性质
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* 并发和共享互为存在条件
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* 资源共享是以程序的并发为条件的，若系统不允许程序并发执行，则自然不存在资源共享问题
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* 若系统不能对资源共享实施有效的管理，则必将影响到程序的并发执行，甚至根本无法并发执行
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* 没有并发和共享就谈不上虚拟和异步
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#### 并发
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* 并发指两个或多个事件在同一时间间隔内发生
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* 并行：系统具有同时进行运算或操作的特性(同时刻)
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* 可并行的有【处理机与设备】【处理机与通道】【设备与设备】
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* 不可并行的有【进程与进程】
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* 真正实现并行的为多核处理机
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同一时间间隔（并发）和同一时刻（并行）的区别：
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* 宏观上有多道程序同时进行，微观上这些程序依旧是分时交替执行的，操作系统的并发性正是分时得以实现的
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* 并行性则是具有同时进行运算或操作的特性，同一时刻能完成两种或两种以上的工作，需要硬件的支持
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#### 共享
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共享通常指系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程共同使用，拥有两种资源共享方式
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* 互斥共享方式
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当进程A访问某个资源时，必须先提出请求，若此时该资源空闲，则系统将其分配给进程A使用，此后有其他进程也要访问该资源时，就必须等待。仅当进程A访问完并释放该资源后，才允许另一个进程对该资源进行访问。
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临界资源(独占资源)：
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一段时间内只允许一个进程访问的资源
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互斥共享要求一种资源在一段时间内(哪怕是很小的时间)只能满足一个请求，否则就会出现严重的问题
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* 同时访问方式
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宏观上存在一些资源允许多个进程同时访问，微观上这些进程是交替地对该资源进行访问，即分时共享
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#### 虚拟
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虚拟是指把一个物理上的实体变为若干逻辑上的对应物。
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* 时分复用技术，如处理器的分时共享
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* 空分复用技术，如虚拟存储器
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#### 异步
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* 程序异步性：多道程序环境允许多个程序并发执行，但由于资源有限，进程执行并非一贯到底，而是走走停停，以不可预知的速度向前推进
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* 异步性导致的问题：
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异步性会使操作系统运行在一种随机的环境下，可能导致进程产生与时间有关的错误。然而在运行环境相同的情况下，操作系统就需要保证多次运行进程后得到的结果相同
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### 操作系统的目标和功能
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操作系统应具有以下功能来给多道程序提供良好的运行环境
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1. 处理机管理、存储器管理、设备管理和文件管理
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2. 需向用户提供接口以方便用户使用
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3. 可用于扩充机器来提供更方便的服务、更高的资源利用率
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#### 操作系统作为计算机系统资源的管理者
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* 处理机管理
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* 在多道程序环境下，处理机的分配和运行都以进程(线程)为主要单位
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* 主要功能
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* 进程控制
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* 进程同步
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* 进程通信
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* 死锁处理
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* 处理机调度
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* 处理机的管理可归结为对进程的管理，因此进程创建、撤销、管理、避免冲突、合理共享就是进程管理的主要任务
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* 存储器管理
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* 存储器管理用于给多道程序的运行提供良好环境，便于用户使用及提高内存利用率
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* 主要功能：
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* 内存分配与回收
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* 地址映射
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* 内存保护与共享
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* 内存扩充
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* 文件管理
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* 计算机的信息都是以文件的形式存在的
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* 文件存储空间的管理
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* 目录管理
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* 文件读写管理和保护
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* 设备管理
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* 主要任务是完成用户I/O请求，方便用户使用设备，提高设备利用率
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* 主要功能
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* 缓冲管理
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* 设备分配
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* 设备处理
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* 虚拟设备
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#### 操作系统作为用户与计算机硬件系统之间的接口
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* 用户使用接口
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* GUI用户界面接口
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* 命令接口
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* 联机命令接口：用户发送一次命令，系统执行一次，主要是交互性，适用于分时或实时系统
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* 脱机命令接口：用户一次性发送命令清单，系统按清单执行，无法中途干预，适用于批处理系统，可解决独占问题
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* 软件使用接口
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* 程序接口(系统调用)
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#### 操作系统用作扩充机器
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* 裸机：没有任何软件支持的计算机
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* 扩充机器/虚拟机：覆盖了软件的机器
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## 操作系统发展历程
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### 手工操作阶段
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用户在计算机上的所有计算流程都要人工干预
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#### 缺点
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* 用户独占全机，资源利用率低
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* CPU等待手工操作，CPU利用不充分
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### 单道批处理系统
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#### 定义
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* 程序封闭性，程序执行的结果只取决与进程本身，不受外界影响
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* 失去封闭性后，不同速度下的进程执行结果不同
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#### 特点
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* 自动性，顺利的情况下，同一磁带上的同一批作业能够自动逐个运行
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* 顺序性，磁带上的各道作业顺序地进入内存
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* 单道性，内存中仅有一道程序运行
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#### 缺点
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* 资源利用率低，吞吐量小
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### 多道批处理系统
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#### 定义
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* 批处理：允许多个用户将若干作业提交给计算机系统集中处理
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* 多道性则是为了提高系统利用率和吞吐量
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#### 特点
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* 多道，共享性，宏观上并行，微观上串行
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* 引入多道后，系统失去封闭性和顺序性
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* 制约性，程序执行因为共享资源和协同所有产生了竞争，相互制约
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* 考虑竞争的公平性，程序断续执行
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#### 优点
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* 资源利用率高
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* 系统吞吐量大
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* CPU利用率高
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* IO设备利用率高
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#### 缺点
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* 用户响应时间长
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* 不提供人机交互能力（用户无法干预批处理作业）
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### 分时操作系统
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#### 定义
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* 允许多个用户以交互的方式使用计算机的操作系统
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* 快速响应用户（分时系统产生原因）
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* 响应时间 = 时间片*用户
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* 进度调度通常采用抢占式的优先级优先
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#### 特点
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* 同时性
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* 交互性，用户能够方便进行人机对话
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* 独立性，多个用户可以彼此独立地进行操作
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* 及时性，用户请求能在很短的时间内响应
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#### 优点
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* 提供人机交互能力
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#### 缺点
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* 不能在规定的时间内做出处理
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### 实时操作系统
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#### 定义
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* 在该操作系统下，计算机系统能够及时处理过程控制反馈的数据并给出响应
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#### 特点
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* 硬实时系统：必须在绝对严格的时间内完成处理（自动驾驶系统）
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* 软实时系统：能接受偶尔违反时间规定（订票系统）
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#### 优点
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* 安全可靠
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* 及时处理
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* 快速处理
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### 网络操作系统和分布式计算机系统
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#### 特点
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* 分布性
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* 并行性
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### 分布式计算机系统
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#### 特点
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* 网络中各种资源的关系
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* 网络中各计算机间的通信
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## 操作系统结构
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* 分层结构
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* 特性
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* 内核分多层，每层可单向调用更低一层提供的接口
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* 优点
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* 便于调试和验证，自底向上逐层调试验证
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* 易扩充和维护，各层间调用接口清晰固定
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* 缺点
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* 仅可调用相邻低层，难以合理定义各层边界
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* 效率低，不可跨层调用，系统调用执行时间长
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* 模块化
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* 特性
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* 内核 = 主模块 + 可加载内核模块
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* 主模块只负责核心功能，如进程调度，内存管理
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* 可加载内核模块：可动态加载新模块到内核，无需重新编译整个内核
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* 优点
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* 模块间逻辑清晰易维护，确定模块间接口后即可多模块同时开发
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* 支持动态加载新内核模块（如：安装设备驱动程序），增强OS适应性
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* 任何模块都可以直接调用其他模块，无需采用消息传递进行通信，效率高
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* 缺点
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* 模块间的接口定义未必合理，实用
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* 模块间相互依赖，更难调试和验证
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* 宏内核
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* 特性
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* 所有的系统功能都放在内核里
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* 优点
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* 性能高，内核内部各种功能都可以直接相互调用
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* 缺点
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* 内核庞大功能复杂，难以维护
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* 大内核中某个功能模块出错，就可能导致整个系统崩溃
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* 微内核
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* 特性
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* 只把中断，原语，进程通信等最核心的功能放入内核，进程管理，文件管理，设备管理等功能以用户进程的形式运行在用户态
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* 优点
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* 内核小功能少，易于维护，内核可靠性高
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* 内核外的某个功能模块出错不会导致整个系统崩溃
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* 缺点
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* 性能低，需要频繁切换用户/核心态，用户态下的各功能模块不可直接互相调用，只能通过内核的消息传递来间接通信
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* 外核(exokernel)
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* 特性
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* 内核负责进程调度，进程通信等功能，外核负责为用户进程分配未经抽象的硬件资源，且由外核负责保证资源使用安全
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* 优点
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* 外核可直接给用户分配不虚拟，不抽象的硬件资源，使用户进程可以更灵活地使用硬件资源
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* 减少虚拟硬件资源的映射层，提升效率
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* 缺点
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* 降低系统的一致性
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* 使系统更加复杂
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## 操作系统引导
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2023-06-30 23:23:57 +08:00
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* 启动过程
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1. CPU加电，CS:IP指向FFFF0H
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2. 执行JMP指令跳转到BIOS
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3. 登记BIOS中断例程入口地址
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4. 硬件自检
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5. 进行操作系统引导
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* 引导流程
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1. CPU从一个特定主存地址开始，取指令，执行ROM中的引导程序
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2. 将磁盘的第一块主引导记录读入内存，执行磁盘引导程序，扫描分区表
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3. 从活动主区（主分区）读入分区引导记录，执行其中的程序
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4. 从根目录下找到完整的操作系统初始化程序并执行，完成开机的一系列操作
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* 加电启动过程中执行程序的过程
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* 自检程序
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* 引导装入程序/自举装入程序
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* 位于ROM，作为BIOS的组成部分
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* 用于启动具体的设备
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* 引导程序
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* 位于装有操作系统硬盘的活动分区的引导扇区的程序
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* 用于引导操作系统
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* 操作系统
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* 被装入RAM中
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2023-06-30 17:08:20 +08:00
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2023-06-30 23:23:57 +08:00
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## 虚拟机
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使用虚拟化技术，将一台物理机器虚化为多台虚拟机器VM，每个虚拟机器都可用于独立运行一个操作系统
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| | 第一类VMM(例：WSL) | 第二类VMM（VMWare） |
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|对物理资源的控制权 | 直接运行在硬件之上，能直接控制和分配物理资源 | 运行在Host OS之上，依赖于Host OS 为其分配物理资源 |
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| 资源分配方式 | 安装Guest OS时，VMM要在原本的硬盘上自行分配存储空间，类似于外核的分配方式，分配未经抽象的物理硬件 | Guest OS 拥有自己的虚拟磁盘，该盘实际上是Host OS文件系统的一个大文件，Guest OS分配到的内存是虚拟内存 |
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| 性能 | 性能更好 | 性能更差，需要Host OS作为中介 |
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| 可支持的虚拟机数量 | 更多，不需要和Host OS竞争资源，相同的硬件资源可以支持更多的虚拟机 | 更少，Host OS 本身需要使用物理资源，Host OS上运行的其他进程也需要物理资源 |
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| 虚拟机的可迁移性 | 更差 | 更好，只需导出虚拟机镜像文件即可迁移到另一台Host OS上，商业化应用更广泛 |
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| 运行模式 | 运行在最高特权级（Ring 0 ）可以执行最高特权的指令 | 部分运行在用户态，部分运行在内核态，Guest OS发出的系统调用会被VMM截获，转化为VMM对Host OS的系统调用 |
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## 操作系统运行的环境
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### 处理器运行的机制
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* 程序运行原理
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* 高级语言编写代码，转换为机器指令
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* 程序运行过程就是CPU执行指令的过程
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* 两种程序
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* 内核程序
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* 应用程序
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* 两种指令
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* 特权指令：不允许用户直接使用的指令
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* 对I/O设备操作指令
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* 获取特殊寄存器的指令
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* 有关访问程序状态的指令
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* 置中断指令
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* 关中断指令
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* 清内存指令
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* 置时钟指令
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* 非特权指令：允许用户直接使用的指令，不能直接访问系统中的软硬件资源，只限于访问用户的地址空间
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* 访管/trap指令
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* 两种处理器状态
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* 核心态【管态】
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* 时钟管理相关指令【置时钟指令】
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* 中断机制相关的指令【时钟中断程序】
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* 原语相关的指令
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* 系统控制的数据结构与处理【进程调度程序】【进程切换】【缺页处理程序】【系统调用命令】
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* 用户态【目态】
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* 命令解释程序【属命令接口，面向用户】
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* 访管/Trap指令，跳转指令，压栈指令
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* 广义指令（系统调用）的调用
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* 外部中断，缺页
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* 改变处理器状态
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2023-07-01 23:37:40 +08:00
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* 内核态$\to$用户态 ： 发生在中断返回用户程序是，需要一条修改PSW（程序状态字）的特权命令
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* 用户态$\to$内核态 ： 发生在中断时，通过硬件完成
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* 状态区分目的： 保护系统程序
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* 内核功能
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* 时钟管理：实现计时功能
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* 中断处理：负责实现中断机制
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* 设备管理：完成设备的请求和释放，以及设备启动等功能
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* 文件管理：完成文件的读、写、创建和释放等功能
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* 进程管理：完成进程的创建、撤销、阻塞及唤醒等功能
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* 进程通信：完成进程间的信息传递或信号传递等功能
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* 内存管理：完成内存的分配，回收及获取作业占用内存大小及地址等功能
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* 原语
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* 一种特殊的程序
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* 处于操作系统最底层，最接近硬件的部分
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* 运行具有原子性（只能一气呵成，不可中断）
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* 运行时间较短，调用频繁
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* 外中断和内中断
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* 异常（内中断）
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* 基本概念
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* 由CPU内部产生的意外事件
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* CPU执行一条命令时，由CPU在其内部检测到的，与正在执行指令相关的同步事件
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* 故障和自陷为异常
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* 终止异常和外中断属于硬件中断
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* 分类
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* 故障：在引起故障的指令启动之后、执行结束前被检测到的异常事件
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* 指令译码时，出现非法操作码
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* 取数据时，出现缺页或缺段
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* 除数为零
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* 地址越界
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* 自陷：也称陷阱或陷入，是预先安排的一种异常事件，如同预先设置好的陷阱一样
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* x86机器中，用于程序调试的断点设置和单步跟踪功能
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* 系统调用指令
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* 条件自陷指令
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* 终止：在执行指令的过程中发生了使计算机无法继续执行的硬件故障，程序无法执行，只能终止
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* 控制器出错
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* 存储器校验错
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* 调出中断服务程序来重启系统
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* 执行时间
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* CPU在执行指令时检查是否有异常产生
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* 不同点（与外中断）
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* 缺页或溢出等异常事件是特定指令在执行过程中产生的
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* 异常的检测由CPU自身完成，不需要外部某个信号通知CPU
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* 中断（外中断）
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* 基本概念
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* 由来自CPU外部的设备发出的中断请求（常用于输入输出）
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* 典型的由外部设备触发的，与当前正在执行的指令无关的异步事件
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* 外部I/O设备通过特定的中断请求信号线向CPU提出中断请求
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* CPU每执行一条指令就检查中断请求信号线，若检测到中断请求，则进入中断响应期
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* 外部中断都是一条指令执行完成后（中断周期）才被检测并处理的
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* 分类
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* 可屏蔽中断
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* 通过可屏蔽中断请求线INTR向CPU发出的中断请求
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* CPU可通过在中断控制器中设置相应的屏蔽字来屏蔽或不屏蔽它，被屏蔽的中断信号将不被送到CPU
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* 不可屏蔽中断
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* 通过不可屏蔽中断请求线NMI向CPU发出的中断请求
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* 通常为非常紧急的硬件故障
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* 举例
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* Cache缺失
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* I/O中断：键盘输入，打印机缺纸
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* 时钟中断
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* I/O中断请求
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* 执行时间
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* 每个指令周期末尾，CPU都会检查是否有外中断信号需要处理
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* 不同点（与内中断）
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* 不与任何指令相关联，也不阻止任何指令的完成
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* 系统调用（广义指令）
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* 定义
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* 操作系统对应用程序和程序员提供的接口
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* 系统调用需要触发Trap【也叫陷入/访管指令】
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* OS通过提供系统调用避免用户程序直接访问外部设备【应用程序通过】
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* 目的：请求系统服务
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* 与库函数区别
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* 库函数
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* 语言或应用的一部分，可以运行在用户空间中
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* 许多库函数都会使用系统调用来实现功能
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* 有的库函数没有使用系统调用
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* 系统调用
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* 是操作系统的一部分，是内核为用户提供的程序接口，运行在内核空间
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* 未使用系统调用的库函数，执行效率通常比系统调用的高【无需完成上下文切换和状态转换】
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* 功能分类
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* 设备管理：完成设备的请求或释放+设备启动
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* 文件管理：完成文件的读、写、创建、删除
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* 进程控制：完成进程的创建、撤销、阻塞、唤醒
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* 内存管理：完成内存的分配、回收、获取作业占用内存区大小及始址
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* 系统调用过程
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1. 传参
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2. 陷入指令/Trap/访管【执行系统调用】（发生在用户态）
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3. 由操作系统内核程序处理系统调用（发生在内核态）
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4. 返回应用程序
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