操作系统基础

1 操作系统基本特性⭐⭐⭐⭐⭐

1 并发，并发是系统中程序能够并发执行的特征，可使得操作系统有效提高系统中的资源利用率，增加系统的吞吐量。

并发和并行

• 并发：两个或者多个事件在同一时刻发生。
• 并行：两个或者多个时间在同一时间间隔内发生。在多道程序下，并发性是指在一段时间内宏观上有多道程序同时运行，但是单处理机系统中，每一时刻只能有一道程序执行。

2 共享 在操作系统环境下的资源共享成为资源复用，是指系统中资源可供内存中多个并发执行的进程共同使用。

互斥共享和同时访问

• 互斥共享：系统的某些资源，虽然可以提供给多个进程使用，但应规定在一段时间内，只允许一个进程访问资源。
• 同时访问：系统中还有另一类资源，允许在一段时间内由多个进程同时对他们进行访问

并发和共享是操作系统的两个最基本的特征，它们互为存在的条件。一方面资源共享是以进行并发执行作为条件的，若系统不允许并发执行也就不存在资源共享问题；另一方面，若系统不能对资源共享实施有效管理，以协调好诸进程对资源共享的访问，也必然会影响到诸进程并发执行的程度，甚至无法并发执行。

3 虚拟 通过某种技术将一个物理实体变为若干个逻辑上对应的物的功能。在操作系统中可以通过时分复用技术和空分复用技术来实现虚拟的。

• 时分复用技术：可利用某设备为一用户服务的空闲时间，又转去为其他用户服务，使设备得到最充分的利用。
• 空分复用技术：利用存储器的空闲空间分区域存放和运行其他的多道程序，以此来提高内存的利用率。

4 异步 在多道程序环境下，系统允许多个进程并发执行。在单处理机程序环境下，由于系统只能运行一个进程，其余进程只能等待。由于资源等因素的限制，使进程的执行通常不是一气呵成的，而是走走停停的方式运行。

2 操作系统主要功能⭐⭐⭐⭐⭐

操作系统主要包括以下几个方面的功能 ：

（1）CPU管理：其工作主要是进程调度，在单用户单任务的情况下，处理器仅为一个用户的一个任务所独占，进程管理的工作十分简单。但在多道程序或多用户的情况下，组织多个作业或任务时，就要解决处理器的调度、分配和回收等问题。

（2）存储管理，分为几种功能：存储分配、存储共享、存储保护、存储扩张。

（3）设备管理，分为以下功能：设备分配、设备传输控制、设备独立性。

（4）文件管理：文件存储空间的管理、目录管理、文件操作管理、文件保护。

（5）作业管理，是负责处理用户提交的任何要求。

3 CPU工作原理⭐⭐⭐⭐⭐

CPU 的工作原理

CPU（中央处理器）是计算机的核心部件，负责执行指令和处理数据。其工作原理可分为以下几个关键环节：

1. 指令获取（Fetch）

• 从内存读取指令：CPU 通过地址总线从内存中读取当前要执行的指令，指令地址由程序计数器（PC）指定。
• 指令缓存优化：现代 CPU 会将常用指令预先加载到高速缓存（L1/L2/L3）中，减少内存访问延迟。

2. 指令解码（Decode）

• 解析指令内容：控制单元（CU）将二进制指令分解为操作码（操作类型）和操作数（数据或地址）。
• 确定执行路径：根据操作码确定需要调用的功能单元（如算术逻辑单元 ALU、浮点运算单元 FPU 等）。

3. 指令执行（Execute）

• 运算处理：运算单元（ALU）对操作数进行算术运算（如加减乘除）或逻辑运算（如与、或、非）。
• 地址计算：地址生成单元负责计算内存地址，用于读取或写入数据。

4. 结果写回（Write Back）

• 存储结果：将运算结果写回寄存器或内存（通过数据总线）。
• 更新状态：根据运算结果更新标志寄存器（如进位标志、溢出标志等）。

5. 流水线技术

• 并行处理：现代 CPU 采用流水线技术，将指令执行分为多个阶段（如取指、解码、执行、写回），各阶段同时处理不同指令，提升效率。

6. 控制流管理

• 分支预测：通过预测分支指令（如 if 语句）的执行方向，提前加载可能需要的指令，减少流水线停顿。
• 异常处理：当遇到错误（如除数为零）或中断请求时，CPU 暂停当前任务，跳转至异常处理程序。

4 CPU流水线⭐⭐⭐⭐⭐

阶段划分与并行执行典型的五级流水线将指令执行分为：

• 取指（IF）：从内存或缓存读取指令，地址由程序计数器（PC）确定。
• 译码（ID）：解析指令操作码和操作数，计算有效地址。
• 执行（EX）：通过算术逻辑单元（ALU）完成运算，或生成访存地址。
• 访存（MEM）：访问内存读取数据（Load）或写入结果（Store）。
• 写回（WB）：将结果存入寄存器或内存，更新标志位。

例如，当第一条指令处于执行阶段时，第二条指令可能正在译码，第三条指令已完成取指，形成 “指令流” 的连续处理。

5 内核态和用户态的区别⭐⭐⭐⭐⭐

内核态和用户态是操作系统中的两种不同的运行态，它们的主要区别在于权限和特权级