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操作系统(Operating System,简称OS)是管理计算机硬件与软件资源的计算机程序。操作系统需要处理如管理与配置内存、决定系统资源供需的优先次序、控制输入设备与输出设备、操作网络与管理文件系统等基本事务。操作系统也提供一个让用户与系统交互的操作界面。 展开全文
操作系统(Operating System,简称OS)是管理计算机硬件与软件资源的计算机程序。操作系统需要处理如管理与配置内存、决定系统资源供需的优先次序、控制输入设备与输出设备、操作网络与管理文件系统等基本事务。操作系统也提供一个让用户与系统交互的操作界面。
信息
英文简称
OS
常见系统
Windows,macOS,Linux,iOS,Android
外文名
operating system
体系结构
模块组合结构、层次结构、微内核结构
组成部分
内核、驱动程序、接口库、外围
中文名
操作系统
功    能
处理器管理、存储器管理、设备管理、文件管理
基本类型
批处理系统、分时操作系统、实时操作系统
特    征
并发、共享、虚拟、异步
操作系统简介
在计算机中,操作系统是其最基本也是最为重要的基础性系统软件。从计算机用户的角度来说,计算机操作系统体现为其提供的各项服务;从程序员的角度来说,其主要是指用户登录的界面或者接口;如果从设计人员的角度来说,就是指各式各样模块和单元之间的联系。事实上,全新操作系统的设计和改良的关键工作就是对体系结构的设计,经过几十年以来的发展,计算机操作系统已经由一开始的简单控制循环体发展成为较为复杂的分布式操作系统,再加上计算机用户需求的愈发多样化,计算机操作系统已经成为既复杂而又庞大的计算机软件系统之一。 [1] 
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  • 操作系统
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    2021-10-24 23:20:42

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    一、操作系统概述

    二、操作系统的功能和目标 -- 作为系统资源的管理者

    ① 操作系统作为系统资源的管理者(这些资源包括软件、硬件、文件等),需要提供什么功能?

    ② 操作系统作为用户与计算机硬件之间的接口,要为其上层的用户、应用程序提供简单易用的服务,需要实现什么功能?

    ③ 操作系统作为最接近硬件的层次,需要在纯硬件的基础上实现什么功能?

    三、操作系统的特征

    1、并发

    2、并行

     3、共享

    4、虚拟

    5、异步

    6、总结

    四、操作系统的发展和分类

    1、手工操作阶段

    2、批处理阶段

    3、分时操作系统

    4、实时操作系统

    5、网络操作系统

    6、分布式操作系统

    7、个人计算机操作系统

    五、操作系统的运行机制和体系结构

    1、什么是指令

    2、两种指令、两种处理器状态、两种程序

    3、操作系统中的哪些功能应该由内核程序实现呢?

    4、操作系统的体系结构可以分为大内核和微内核。

    六、中断和异常

    1、中断的概念和作用

    2、中断的分类

    3、外中断的处理过程

    七、系统调用

    1、什么是系统调用

    2、系统调用作用

    3、系统调用的分类

    4、系统调用的过程简介


    、操作系统概述

    操作系统是指控制和管理整个计算机系统的硬件和软件资源,并合理地组织调度计算机的工作和资源的分配,以提供给用户和其它软件方便的接口和环境,它是计算机系统中最基本的系统软件。

    二、操作系统的功能和目标 -- 作为系统资源的管理者

    进程是一个程序的执行过程,执行前需要将该程序放到内存中,才能被CPU处理。

    ① 操作系统作为系统资源的管理者(这些资源包括软件、硬件、文件等),需要提供什么功能?

    作为系统资源的管理者

    (1)提供的功能

    • 处理机管理
    • 存储器管理
    • 文件管理
    • 设备管理

    (2)目标

    • 安全
    • 高效

    用微信和朋友视频聊天的过程:

    ② 操作系统作为用户与计算机硬件之间的接口,要为其上层的用户、应用程序提供简单易用的服务,需要实现什么功能?

    作为计用户和计算机硬件之间的接口

    (1)提供的功能

    1. 命令接口(联机命令接口、脱机命令接口)
    2. 程序接口
    3. GUI图形用户界面

    (2)目标,方便用户使用

     命令接口:允许用户直接使用

    程序接口:允许用户通过程序间接使用

    GUI:现代操作系统中最流行的图形用户接口

    1、命令接口

    联机命令接口 = 交互式命令接口

    大概的意思就是你说一句,系统做一句。

    比如cmd命令:

     脱机命令接口 = 批处理命令接口

     2、程序接口

    比如C:\Windows\System32\user32.dll l程序员在程序中调用user32.dll(该调用即为系统调用)即可实现创建窗口等功能。只能通过用户程序间接使用。

    3、GUI图形用户界面

    用户可以使用形象的图形化界面进行操作,而不再需要使用复杂的命令或参数了。

    ③ 操作系统作为最接近硬件的层次,需要在纯硬件的基础上实现什么功能?

    需要提供的功能和目标:实现对硬件机器的拓展

    没有任何软件支持的计算机称为裸机,在裸机上安装操作系统,可以提供资源管理功能和方便用户的服务功能,将裸机改造成功能更强、使用更方便的机器。

    通常把覆盖了软件的机器称为扩充机器,又称为虚拟机。

    三、操作系统的特征

    1、并发

    指多个事件在同一事件间隔内交替发生。

    2、并行

    指多个事件在同一时刻同时发生。

    一个单核处理机CPU同一时刻只能执行一个程序,因此操作系统会负责协调多个程序交替执行(这些程序微观上是交替执行的,但是宏观上看起来就像同时执行)

    当今的计算机,一般都是多核CPU,比如我现在用的联想小新Pro16的CPU就是I5 11300H,它是一个四核CPU,这意味着同一时刻可以有4个程序并行执行,但是操作系统的并发性依然必不可少。因为电脑可能开着十几个应用程序,比如微信、谷歌、腾讯、酷狗音乐、Excel等等,都是需要同时工作的,而且电脑运行时,电脑系统自带的程序,也数不胜数。

     3、共享

    共享即资源共享,是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。

    两种资源共享的方式:

    (1)互斥共享方式

    系统中的某些资源,虽然可以提供给多个进程使用,但一个时间段内只允许一个进程访问该资源。

    如对摄像头设备的共享使用。

    (2)同时共享方式

    系统中的某些资源,允许一个时间段内有多个进程“同时”对它们进行访问。

    所谓的“同时”往往是宏观的,而从微观上讲,这些进程可能是交替地对该资源进行访问的,即分时共享。

    如对硬盘资源的共享使用。

    4、虚拟

    虚拟是指把一个物理上的实体变为若干个逻辑上的对应物。物理实体是实际存在的,而逻辑上对应物是用户感知到的。

    用一个例子来理解:

    众所周知,一个程序需要放入内存并给它分配CPU才能执行。

    GTA5游戏需要4GB的运行内存,QQ需要256MB的内存,迅雷需要250MB的内存,网易云音乐需要256MB的内存...

    我的电脑4GB。

    问题:这些程序同时运行需要的内存远远大于4GB,那么为什么它们还可以在我的电脑上同时运行呢?

    答:这是虚拟存储器技术。实际只有4GB的内存,在用户看来似乎远远大于4GB。这应用了虚拟机技术中的“空分复用技术”。微观上处理机在各个微笑的时间段内交替为各个进程服务。

    5、异步

    异步是指,在多道程序环境下,允许多个程序并发执行,但由于资源有限,进程的执行不是一管到底的,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。

    如果失去了并发性,则系统只能串行的处理各个进程,每个进程的执行会一贯到底,只有系统拥有并发性,才有可能导致异步性。

    6、总结

    如果没有并发和共享,就谈不上虚拟和异步,因此并发和共享是操作系统的两个最基本的特征。

    四、操作系统的发展和分类

    1、手工操作阶段

    缺点:人机速度矛盾

    2、批处理阶段

    (1)单道批处理系统(引入脱机输入输出技术)

    优点:缓解人机速度矛盾

    缺点:资源利用率较低

    (2)多道批处理系统(操作系统开始出现)

    优点:多道程序并发执行,资源利用率高

    缺点:不提供人机交互功能

    3、分时操作系统

    优点:提供人机交互功能

    缺点:不能有限处理紧急任务

    4、实时操作系统

    (1)硬实时系统

    必须在绝对严格的规定时间内完成处理

    (2)软实时系统

    能接受偶尔违反时间规定

    (3)优点:能优先处理紧急任务

    5、网络操作系统

    6、分布式操作系统

    7、个人计算机操作系统

    五、操作系统的运行机制和体系结构

    1、什么是指令

    简单来说,指令就是处理器CPU能识别、执行的最基本命令,比如:加法指令就是让CPU进行加法运算。 

    2、两种指令、两种处理器状态、两种程序

    (1)两种指令

    ① 特权指令

    如内存清零指令,不允许用户程序使用

    ② 非特权指令

    如普通的运算指令

    (2)两种处理器状态

    ① 用户态

    此时CPU只能执行非特权指令

    ② 核心态

    特权指令、非特权指令都可以执行

    用程序状态字寄存器中的某标志位来标识当前处理器处于什么状态。如0为用户态,1为核心态。

    (3)两种程序

    ① 内核程序

    操作系统的内核程序时系统的管理者,既可以执行特权指令,也可以执行非特权指令,运行在核心态。

    ② 应用程序

    为了保证系统能安全运行,普通应用程序只能执行非特权指令,运行在用户态。

    3、操作系统中的哪些功能应该由内核程序实现呢?

    内核是计算机上配置的底层软件,是操作系统最基本、最核心的部分。

    实现操作系统内核功能的那些程序就是内核程序。

    (1)与硬件关联较紧密的模块

    ① 时钟管理

    实现计时功能

    ② 中断处理

    负责实现中断功能

    ③ 原语

    是一种特殊的程序
    出于操作系统最底层,是最接近硬件的部分
    这种程序的运行具有原子性,其运行只能一气呵成,不可中断
    运行时间较短、调用频繁
    (2)对系统资源进行管理的功能

    • 进程管理
    • 存储器管理
    • 设备管理

    有的操作系统不把这部分功能归为“内核功能”,也就是说,不同的操作系统,对内核功能的划分可能并不一样。

    4、操作系统的体系结构可以分为大内核和微内核。

    (1)大内核:

    • 将操作系统的主要功能模块都作为系统内核,运行在核心态
    • 优点:高性能
    • 缺点:内核代码庞大,结构混乱,难以维护

    (2)微内核:

    • 只把最基本的功能保留在内核。
    • 优点:内核功能少,结构清晰,方便维护
    • 缺点:需要频繁地在核心态和用户态之间切换,性能

    六、中断和异常

    1、中断的概念和作用

    1. 当中断发生时,CPU立即进入核心态
    2. 当中断发生后,当前运行的进程暂停运行,并由操作系统内核对中断进行处理
    3. 对于不同的中断信号,会进行不同的处理

    发生了中断,就意味着需要操作系统介入,开展管理工作。由于操作系统的管理工作(比如进程切换、分配IO设备等)需要使用特权指令,因此CPU要从用户态切为核心态。中断可以使CPU从用户态切换为核心态,使操作系统获得计算机的控制权。有了中断,才能实现多道程序并发执行。

    用户态和核心态的切换是通过中断实现的,并且中断是唯一途径。

    2、中断的分类

    (1)内中断

    信号来源:CPU内部

    ① 陷阱

    有意而为之的异常,如系统调用

    ② 故障

    由错误条件引起的,可能被故障处理程序修复,如缺页。

    ③ 终止

    不可恢复的错误造成的结果,终止处理程序不再将控制返回给引发终止的应用程序,如整数除0。

    (2)外中断

    信号来源:CPU外部

    ① IO中断请求

    ② 人工干预

    3、外中断的处理过程

    执行完每个指令后,CPU都要检查当前是否有外部中断信号
    如果检测到外部中断信号,则需要保护被中断进程的CPU环境(如程序状态子PSW、程序计数器PC、各种通用寄存器)
    根据中断信号类型转入相应的中断处理程序
    恢复原进程的CPU环境并退出中断,返回原进程继续往下执行

    七、系统调用

    1、什么是系统调用

    系统调用是操作系统提供给应用程序使用的接口,可以理解为一种可供应用程序调用的特殊函数,应用程序可以发出系统调用请求来获得操作系统的服务。

    2、系统调用作用

    应用程序通过系统调用请求操作系统的服务,服务中的各种共享资源都由操作系统统一掌管,因此在用户程序中,凡是与资源有关的操作(如存储分配、IO操作、文件管理等),都必须通过系统调用的方式向操作系统提出服务请求,由操作系统代为完成。这样可以保证系统的稳定性和安全性,防止用户进行非法操作。

    3、系统调用的分类

    1. 设备管理(完成设备的请求、释放、启动等功能)
    2. 文件管理(完成文件的读写、创建、删除等功能)
    3. 进程控制(完成进程的创建、撤销、阻塞、唤醒等功能)
    4. 进程通信(完成进程之间的消息传递、信号传递等功能)
    5. 内存管理(完成内存的分配、回收等功能)

    系统调用相关处理涉及到对系统资源的管理,对进程的控制,这些功能需要执行一些特权指令才能完成,因此系统调用的相关处理需要在核心态下进行。

    4、系统调用的过程简介

     传递系统调用参数 -> 执行陷入指令(用户态) -> 执行系统调用相应服务程序(核心态) -> 返回用户程序。

    小总结:

    1. 陷入指令是在用户态执行的,执行陷入指令之后立即引发一个内中断,从而CPU进入核心态
    2. 发出系统调用请求的是用户态,而对系统调用的相应处理在核心态下进行
    3. 陷入指令是唯一一个只能在用户态执行,而不可在核心态执行的指令

    ​ 

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    大家好,我是小林哥。

    平日里,大家都喊程序员加班多很辛苦,动不动就掉头发,但干的还是很香的,毕竟大多数公司钱还是给的很到位的,今年毕业应届生的我见到好多动不动就月薪 20K~30K 的,真让人两眼泪酸酸,当然这离不开他们大学期间的努力。

    讲真,没什么家庭背景的人,选择当程序员确实是比较好的选择了,原因有二:

    • 首先,当今互联网、AI 人工智能、大数据等都是高速发展的行业,自然人才需求很多,薪资也相对其他传统行业高;
    • 第二,纯粹看你技术能力,只要自己愿意付出努力,技术能力肯定会慢慢提高上来,而且现在比起几十年前,学习资料也越来越多,且越来越优质;

    虽然我们身处时代的红利,但是它是高速发展的,技术也是在一直迭代更新的,停止学习,只会被时代 game over,相当很残酷,所以日常学习是我们程序员,不可缺少的一个习惯。学到秃,你不想变强,都会变强。

    那说到学习,那必然离不开书呀,小林也在豆瓣逛一圈,把高分的书推荐给大家

    其实这些计算机基础完全是可以自学的,不管你是不是计算机专业的同学,只要你认认真真跟着网课和自己看书学习,绝对超过大多数所谓的科班毕业的同学!

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    希望图解网站成为你们上班摸鱼必备网站哈哈!

    计算机网络

    如果你要入门 HTTP,首先最好书籍就是《图解 HTTP》了,作者真的做到完完全全的「图解」,小林的图解功夫还是从这里偷学到不少,书籍不厚,相信优秀的你,几天就可以看完了。

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    如果要入门 TCP/IP 网络模型,我推荐的是《图解 TCP/IP》,这本书也是以大量的图文来介绍了 TCP/IP 网络模式的每一层,但是这个书籍的顺序不是从「应用层 —> 物理层」,而是从「物理层 -> 应用层」顺序开始讲的,这一点我觉得不太好,这样一上来就把最枯燥的部分讲了,很容易就被劝退了,所以我建议先跳过前面几个章节,先看网络层和传输层的章节,然后再回头看前面的这几个章节。

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    另外,你想了解网络是怎么传输,那我推荐《网络是怎样连接的》,这本书相对比较全面的把访问一个网页的发生的过程讲解了一遍,其中关于电信等运营商是怎么传输的,这部分你可以跳过,当然你感兴趣也可以看,只是我觉得没必要看。

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    对于 TCP/IP 网络模型深入学习的话,推荐《计算机网络 - 自顶向下方法》,这本书是从我们最熟悉 HTTP 开始说起,一层一层的说到最后物理层的,有种挖地洞的感觉,这样的内容编排顺序相对是比较合理的。

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    但如果要深入 TCP,前面的这些书还远远不够,赋有计算机网络圣经的之说的《TCP/IP 详解 卷一:协议》这本书,是进一步深入学习的好资料,这本书的作者用各种实验的方式来细说各种协议,尤其是 TCP 部分写的很好(我也只看了这书的 TCP 部分,嘻嘻),这本书买第一版本就好了,第二版本翻译的有问题。

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    操作系统

    我看的第一本操作系统书是《现代操作系统》,这本书也是大家力推的入门操作系统的教材,有很多常见的面试题都基本是出自这里的,比如哲学家就餐、读者写者等问题。如果单纯看书觉得比较枯燥,可以搭配 B 站清华大学操作系统课程一起学习。

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    华为鸿蒙操盘手陈海波大神,也出了一本新书《现代操作系统:原理与实现》,是由上海交通大学陈海波、夏虞斌领衔撰写。由浅入深介绍现代操作系统经典理论与方法,结合前沿研究与工业界实践,面向真实场景与真实问题。全新打造 ChCore 微内核系列课程实验,建立对操作系统的第一手实践经验。

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    这本被称为神书的《深入理解计算机系统》,豆瓣评分高达 9.8 分,这本书严格来说不算操作系统书,它是以程序员视角理解计算机系统,不只是涉及到操作系统,还涉及到了计算机组成、C 语言、汇编语言等知识,是一本综合性比较强的书。

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    计算机组成原理

    小林最近写的有关 CPU 文章,算是计算机组成的系列了。计算机组成大部分人会认为是硬件开发的人才需要接触,软件开发的人不用了解,我觉得这个观点是不对的,你写的程序也是运行在计算机上的,并且实际上计算机组成原理有些知识还是跟软件有关系的,那就有一本很适合软件开发人员了解的书 —— 《计算机组成与设计 硬件/软件接口》

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    数据结构与算法

    数据结构与算法尤其重要呀,校招大厂就特别爱考察,还没练起算法的同学,抓紧啦!

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    数据库

    Mysql 两本高分的书。

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    Redis 经典之作,重点看前三章,redis 的数据结构,持久化,主从复制,哨兵模式,这些都是常考的面试题。

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    Java

    小林虽然不是搞 Java 的,但是请教了搞 Java 大佬,我把他推荐的书也放在这啦,Java 同学可以参考参考。
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    C/C++

    对于想入门 C 语言的同学,可以看看这本黑皮经典书籍。

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    C++ 最好的入门书,就是这本了。

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    入门完 C++ 下,我们也不能停下脚步,快马加鞭进入进阶的节奏。

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    Linux

    Linux 命令入门的好书,跟着鸟叔一起敲 Linux 命令,很快就能入门了。

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    熟悉了 Linux 命令后,我们就从编程的角度来学习 Linux,这里有几本好书。
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    什么?你还想再深入 Linux 系统,那就来啃 Linux 内核代码吧,保证你对操作系统由有新的认识。在这里插入图片描述

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    絮叨絮叨

    小林在 CSDN 写了很多图解网络和操作系统的系列文章,很高兴收获到很朋友的认可和支持,正好最近图解网络和操作系统的文章连载的有 20+ 篇了,也算有个体系了。

    在这里插入图片描述

    所以为了方便大家阅读,小林把自己原创的图解网络和图解操作系统整理成了 PDF,一整理后,没想到每个图解都输出了 15 万字 + 500 张图,质量也是杠杠的,有很多朋友特地私信我,看了我的图解拿到了大厂的offer。

    图解系统 PDF 开源下载:图解系统 PDF 下载地址(点击)

    图解网络 PDF 开源下载:图解网络 PDF 下载地址(点击)


    最后祝大家前程似锦,在编码的道路上一马平川。

    如果文章对你帮助的话,可以给我点个赞,点个收藏,评论下更先显温情!

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  • 操作系统概述

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    第一章 操作系统概述

    202196日 16:40

    目录

    1.1 什么是操作系统

    1.1.1 操作系统的地位和目标

    1.1.2 操作系统的作用和组成

    1.1.3 操作系统举例

    1.2 操作系统的发展历史

    1.2.1 推动操作系统发展的主要动力

    1.2.2 手工操作

    1.2.4 多道批处理系统(multiprogramming system)

    1.2.5 分时系统(time-sharing system)

    1.2.6 实时系统(real-time system)(及时性,可靠性)

    1.3 操作系统的分类

    1.3.1 批处理操作系统(Batch Processing Operation System)

    1.3.2 分时操作系统(Time Sharing Operating System)

    1.3.3 实时操作系统(Real Time Operating System)

    1.3.4 多处理操作系统

    1.3.5 网络操作系统(NOS, Network Operating System)

    1.3.6 分布式操作系统(Distributed Operating System)

    1.3.7 个人计算机操作系统(Personal Computer Operating System)

    1.4 操作系统的特征

    1.4.1 操作系统的特征

    1.4.2 操作系统的服务

    1.5 操作系统的功能(系统资源的管理者)

    1.5.1 处理机管理

    1.5.2 存储管理

    1.5.3 设备管理

    1.5.4 信息管理(文件管理)

    1.5.5 用户接口

    1.6 常用的操作系统

    1.7 操作系统的运行机制与体系结构

    1.7.1 运行机制

    1.7.2  操作系统内核

    1.7.3 操作系统的体系结构

    1.8 中断和异常

    1.8.1 中断机制的诞生

    1.8.2 中断的概念和作用

    1.8.3 中断的分类

    1.8.4 外中断的处理过程

    1.9 系统调用

    1.9.1 什么是系统调用,有何作用?

    1.9.2 系统调用和库函数的区别

    1.9.3 系统调用背后的过程

    小结


    1.1 什么是操作系统

    1.1.1 操作系统的地位和目标

    操作系统的地位:紧贴系统硬件之上,所有其他软件之下(是其他软件的共同环境)

    系统调用 == 系统调用命令 == 广义指令

    操作系统的功能和目标——作为系统资源的管理者

    操作系统的功能和目标——作为用户和计算机硬件之间的接口

    操作系统的功能和目标——作为最接近硬件的层次

    引入操作系统的目标:

      • 有效性(系统管理人员的观点):管理和分配硬件、软件资源,合理地组织计算机的工作流程
      • 方便性(用户的观点):提供良好的、一致的用户接口,弥补硬件系统的类型和数量差别
      • 可扩充性(开放的观点):硬件的类型和规模、操作系统本身的功能和管理策略、多个系统之间的资源共享和互操作

    1.1.2 操作系统的作用和组成

    操作系统的作用:

    OS是计算机硬件、软件资源的管理者。

    OS是用户使用系统硬件、软件的接口。

    OS是扩展机(extended machine)/虚拟机(virtual machine)。

      • 管理对象包括:CPU、存储器、外部设备、信息(数据和软件);
      • 管理的内容:资源的当前状态(数量和使用情况)、资源的分配、回收和访问操作,相应管理策略(包括用户权限)。
      • 系统命令(命令行、菜单式、命令脚本式、图形用户接口GUI);
      • 系统调用(形式上类似于过程调用,在应用编程中使用)。
      • 在裸机上添加:设备管理、文件管理、存储管理(针对内存和外存)、处理机管理(针对CPU);
      • 另外,为合理组织工作流程:作业管理、进程管理。

    操作系统的非形式化定义(关键点):系统软件,程序模块的集合,资源管理和用户接口功能

    1.1.3 操作系统举例

      • MS OS: MS DOS, MS Windows 3.x, Windows 95, Windows NT, Windows 2000
      • UNIX: BSD, SRV4, OSF1, SCO UNIX, AIX, Solaris, Linux
      • NOS: Novell Netware
      • RTOS: VxWorks, pSoS, Nucleus

    1.2 操作系统的发展历史

    1.2.1 推动操作系统发展的主要动力

    (1) 提高资源的利用率和系统性能:计算机发展的初期,计算机系统昂贵,用作集中计算

    (2) 方便用户:用户上机、调试程序,分散计算时的事务处理和非专业用户(商业和办公、家庭)

    (3) 器件的发展:CPU的位宽度(指令和数据)、快速外存

    1.2.2 手工操作

    1946 ~ 50年代(电子管),集中计算(计算中心),计算机资源昂贵;

      • 工作方式
        • 用户:用户既是程序员,又是操作员;用户是计算机专业人员;
        • 编程语言:为机器语言;
        • 输入输出:纸带或卡片;
      • 计算机的工作特点
        • 用户独占全机:不出现资源被其他用户占用,资源利用率低
        • CPU等待用户:计算前,手工装入纸带或卡片;计算完成后,手工卸取纸带或卡片;CPU利用率低;
      • 主要矛盾
        • 计算机处理能力的提高,手工操作的低效率(造成浪费);
        • 用户独占全机的所有资源;
      • 提高效率的途径
        • 专门的操作员,批处理

    1.2.3 单道批处理系统(simple batch processing)(引入脱机输入/输出技术(用磁带完成),并监督程序负责控制作业的输入、输出)

    50年代末 ~ 60年代中(晶体管):利用磁带把若干个作业分类编成作业执行序列,每个批作业由一个专门的监督程序(Monitor)自动依次处理。可使用汇编语言开发。

      • 批处理中的作业的组成:
        • 用户程序
        • 数据
        • 作业说明书(作业控制语言)
      • 批:
        • 供一次加载的磁带或磁盘,通常由若干个作业组装成,在处理中使用一组相同的系统软件(系统带)

    两种批处理方式(1)

    联机批处理

      • 用户提交作业:以纸带或卡片为介质;
      • 操作员合成批作业:结果为磁带介质;
      • 批作业处理:对批作业中的每个作业进行相同的处理:从磁带读入用户作业和编译链接程序,编译链接用户作业,生成可执行程序;启动执行;执行结果输出。
      • 这时的问题:慢速的输入输出处理仍直接由主机来完成。输入输出时,CPU处于等待状态。

    两种批处理方式(2)

    脱机批处理

    利用卫星机完成输入输出功能。主机与卫星机可并行工作。

      • 卫星机:完成面向用户的输入输出(纸带或卡片),中间结果暂存在磁带或磁盘上。
      • 作业控制命令由监督程序(monitor)来执行,完成如装入程序、编译、运行等操作。
      • 优点:同一批内各作业的自动依次更替,改善了主机CPU和I/O设备的使用效率,提高了吞吐量。
      • 缺点:磁带或磁盘需要人工装卸,作业需要人工分类,监督程序易遭到用户程序的破坏(由人工干预才可恢复)。

    通道和中断技术

    60年代初,发展了通道技术和中断技术,这些技术的出现使监督程序在负责作业运行的同时提供I/O控制功能。

      • 通道:用于控制I/O设备与内存间的数据传输。启动后可独立于CPU运行,实现CPU与I/O的并行。
        • 通道有专用的I/O处理器,可与CPU并行工作
        • 可实现 I/O联机处理
      • 中断是指CPU在收到外部中断信号后,停止原来工作,转去处理该中断事件,完毕后回到原来断点继续工作。
        • 中断处理过程:中断请求,中断响应,中断点(暂停当前任务并保存现场),中断处理例程,中断返回(恢复中断点的现场并继续原有任务
        • 可处理算术溢出和非法操作码,死循环(利用时钟中断进行超时限定)
      • 监督程序发展为执行系统(executive system),常驻内存

    单道批处理的主要问题

      • CPU和I/O设备使用忙闲不均(取决于当前作业的特性)。
        • 对计算为主的作业,外设空闲;
        • 对I/O为主的作业,CPU空闲;

    1.2.4 多道批处理系统(multiprogramming system)

    60年代中 ~ 70年代中(集成电路),利用多道批处理提高资源的利用率。

      • 多道批处理的运行特征
        • 多道:内存中同时存放几个作业;
        • 宏观上并行运行:都处于运行状态,但都未运行完;
        • 微观上串行运行:各作业交替使用CPU;
      • 优点:
        • 资源利用率高:CPU和内存利用率较高,多道程序并发执行,共享计算机资源
        • 作业吞吐量大:单位时间内完成的工作总量大;
      • 缺点:
        • 用户交互性差:(相当于不提供人机交互的能力)整个作业完成后或中间出错时,才与用户交互,不利于调试和修改,用户响应时间长
        • 作业平均周转时间长:短作业的周转时间显著增长;

    1.2.5 分时系统(time-sharing system)

      • 分时技术是把处理机的时间分成很短的时间片,这些时间片轮流地分配给各个联机的各作业使用。如果某作业在分配给它的时间片用完时仍未完成,则该作业就暂时中断,等待下一轮运行,并把处理机的控制权让给另一个作业使用。这样在一个相对较短的时间间隔内,每个用户作业都能得到快速响应,以实现人机交互。
      • 主要优点:用户请求可以被即时响应,解决了人机交互问题。允许多个用户同时使用一台计算机,并且用户对计算机的操作相互独立,感受不到别人的存在。
      • 主要缺点:不能优先处理一些紧急任务。操作系统对各个用户/作业都是完全公平的,循环地为每个用户/作业服务一个时间片,不区分任务的紧急性。
      • 抢先式和非抢先式(preemptive & non-preemptive):出让CPU是OS强迫或程序主动
        • 抢先式:OS强近出让CPU;
        • 非抢先式:程序主动出让CPU;
      • 分时系统的特点
        • 交互性:在调试和运行程序时由用户自己操作。
        • 多用户同时性:多个用户同时使用。
        • 独立性:对每个用户而言好象独占主机。

    1.2.6 实时系统(real-time system)(及时性,可靠性

    用于工业过程控制、军事实时控制、金融等领域,包括实时控制、实时信息处理

      • 要求:响应时间短,在一定范围之内;系统可靠性高
      • 主要优点:能够优先相应一些紧急任务,某些紧急任务不需时间片排队
      • 任务的类型:
        • 周期性实时任务:
        • 非周期性实时任务:截止时间(deadline),开始截止时间(最晚开始时间)和完成截止时间(最晚完成时间)

    1.3 操作系统的分类

    1.3.1 批处理操作系统(Batch Processing Operation System)

      • 作业的处理流程
        • 作业提交:作业的输入;
        • 作业执行
        • 作业完成:作业的输出;
        • 批处理的主要特征
          • 用户脱机使用计算机:作业提交后直到获得结果之前,用户无法与作业交互。
          • 作业成批处理
          • 多道程序并行:充分利用系统资源。
        • 多道批处理系统上的技术
          • 作业调度:作业的现场保存和恢复--上下文切换
          • 资源共享:资源的竞争和同步--互斥(exclusion)和同步(synchronization)机制
          • 内存使用:提高内存使用效率(为当前由CPU执行的程序提供足够的内存)--覆盖(overlay),交换(swap)和虚拟存储(virtual memory)
          • 内存保护:系统存储区和各应用程序存储区不可冲突--存储保护
          • 文件非顺序存放、随机存取

    多道程序系统和多处理系统(multiprocessing system)的区别:前者指多个程序同时在内存中交替运行,后者指多个处理器。

    1.3.2 分时操作系统(Time Sharing Operating System)

      • 分时的定义
        • 把计算机的系统资源(尤其是CPU时间)进行时间上的分割,每个时间段称为一个时间片(time slice),每个用户依次轮流使用时间片。
      • 分时系统的特征
        • 多用户同时性:多个用户同时工作。
          • 共享系统资源,提高了资源利用率。节省维护开支,可靠性高:笨终端--至今仍在使用。促进了计算机的普遍应用,提高资源利用率:远地用户通过终端(较便宜)联机使用。
        • 独立性:各用户独立操作,互不干扰。
        • 交互性:系统能及时对用户的操作进行响应,显著提高调试和修改程序的效率:缩短了周转时间。
      • 分时系统的类型
        • 单道分时:调入-调出(Roll-in/Roll-out),I/O开销太大(在有卫星机处理I/O时,单道分时是有用的)
        • 前台后台分时:后台存放批处理作业,内存的划分是固定的,不灵活
        • 多道分时:需要解决加载程序时地址空间重定位的问题
      • 分时系统的主要问题
        • 及时接受输入:多个I/O端口,设立多路缓冲区
        • 及时响应:
          • 提高对换速度(快速外存)、
          • 限制用户数目、
          • 缩短时间片(可能引起对换次数增多,开销增大,程序总运行时间增大)
        • 减少对换信息量:
          • 可重入代码(re-entrant code);
          • 请求页式存储管理:只对换部分程序
      • 1.3.3 实时操作系统(Real Time Operating System)

        • 实时操作系统主要用于过程控制、事务处理等有实时要求的领域,其主要特征是实时性和可靠性。
        • 实时系统的特征
          • 实时时钟管理:提供系统日期和时间、定时和延时等时钟管理功能;
          • 过载保护:缓冲区排队,丢弃某些任务,动态调整任务周期;
            • 过载是指进入系统的任务数目超出系统的处理能力。
          • 高度可靠性和安全性:容错能力(如故障自动复位)和冗余备份(双机,关键部件);
        • 实时系统与批处理系统和分时系统的区别
          • 专用系统:许多实时系统是专用系统,而批处理与分时系统通常是通用系统。
          • 实时控制:实时系统用于控制实时过程,要求对外部事件的迅速响应,具有较强的中断处理机构。
          • 高可靠性:实时系统用于控制重要过程,要求高度可靠,具有较高冗余。如双机系统。
          • 事件驱动和队列驱动:实时系统的工作方式:接受外部消息,分析消息,调用相应处理程序进行处理。
          • 与通用系统结合成通用实时系统:实时处理前台作业,批处理为后台作业。

    1.3.4 多处理操作系统

    1.3.5 网络操作系统(NOS, Network Operating System)

    网络操作系统是在通常操作系统功能的基础上提供网络通信和网络服务功能的操作系统。网络操作系统为网上计算机进行方便而有效的网络资源共享,提供网络用户所需各种服务的软件和相关规程的集合

    网络功能与操作系统的结合程度是网络操作系统的重要性能指标。早期的作法是通常操作系统附加网络软件,过渡到网络功能成为操作系统的有机组成部分。它们的区别在于:网络功能的强弱、使用是否方便等。

      • 网络操作系统的功能
        • 通常操作系统的功能:处理机管理、存储器管理、设备管理、文件管理等;
        • 网络通信功能:通过网络协议进行高效、可靠的数据传输;
        • 网络资源管理:协调各用户使用;
        • 网络服务:文件和设备共享,信息发布;
        • 网络管理:安全管理、故障管理、性能管理等;
        • 互操作:直接控制对方比交换数据更为困难;

    1.3.6 分布式操作系统(Distributed Operating System)

    分布式系统:处理和控制的分散(相对于集中式系统)

    分布式系统是以计算机网络为基础的,它的基本特征是处理上的分布,即功能和任务的分布。

    分布式操作系统的所有系统任务可在系统中任何处理机上运行,自动实现全系统范围内的任务分配自动调度各处理机的工作负载。

      • 分布式操作系统与网络操作系统的比较
        • 耦合程度
          • 分布式系统是紧密耦合系统:分布式OS是在各机上统一建立的"OS同质",直接管理CPU、存储器和外设;统一进行全系统的管理;
          • 网络通常容许异种OS互连,各机上各种服务程序需按不同网络协议"协议同质"。
        • 并行性
          • 分布式OS可以将一个进程分散在各机上并行执行"进程迁移"
          • 网络则各机上的进程独立
        • 透明性:用户是否知道或指定资源在哪个机器上(如CPU、内存或外设)。
          • 分布式系统的网络资源调度对用户透明,用户不了解所占有资源的位置;
          • 网络操作系统中对网络资源的使用要由用户明确指定
        • 健壮性:分布式系统要求更强的容错能力(工作时系统重构)

    1.3.7 个人计算机操作系统(Personal Computer Operating System)

    针对单用户使用的个人计算机进行优化的操作系统。

      • 个人计算机操作系统的特征
        • 应用领域:事务处理、个人娱乐,
        • 系统要求:使用方便、支持多种硬件和外部设备(多媒体设备、网络、远程通信)、效率不必很高。
      • 常用的个人计算机操作系统
        • 单用户单任务:MS DOS
        • 单用户多任务:OS/2, MS Windows 3.x, Windows 95, Windows NT, Windows 2000 Professional
        • 多用户多任务:UNIX(SCO UNIX, Solaris x86, Linux, FreeBSD)

    1.4 操作系统的特征

      • 1.4.1 操作系统的特征

        • 并发(concurrency)(并发和共享是两个最基本的特征,二者互为存在条件)
          • 多个事件在同一时间间隔内发生(宏观上同时发生,微观上交替发生)。操作系统是一个并发系统,各进程间的并发,系统与应用间的并发。操作系统要完成这些并发过程的管理。并行(parallel)是指在同一时刻发生。
          • 并行:指两个或多个事件在同一时刻同时发生
          • 在多道程序处理时,宏观上并发,微观上交替执行(在单处理器情况下)。
          • 程序的静态实体是可执行文件,而动态实体是进程(或称作任务),并发指的是进程。
        • 共享(sharing)
          • 多个进程共享有限的计算机系统资源。操作系统要对系统资源进行合理分配和使用。资源在一个时间段内交替被多个进程所用。
          • 互斥共享(如音频设备):资源分配后到释放前,不能被其他进程所用。一个时间段内只允许一个进程访问该资源
          • 同时共享:允许一个时间段内由多个进程“同时”对他们访问
          • 同时访问(如可重入代码,磁盘文件)
          • 资源分配难以达到最优化
        • 虚拟(virtual)
          • 一个物理实体映射为若干个对应的逻辑实体——分时或分空间。虚拟是操作系统管理系统资源的重要手段,可提高资源利用率。
          • CPU--每个用户(进程)的"虚处理机"
          • 存储器--每个进程都占有的地址空间(指令+数据+堆栈)
          • 显示设备--多窗口或虚拟终端(virtual terminal)
        • 异步性(asynchronism)
          • 也称不确定性,指进程的执行顺序和执行时间的不确定性;
          • 进程的运行速度不可预知:分时系统中,多个进程并发执行,"时走时停",不可预知每个进程的运行推进快慢
          • 判据:无论快慢,应该结果相同--通过进程互斥和同步手段来保证
          • 难以重现系统在某个时刻的状态(包括重现运行中的错误)
          • 性能保证:实时系统与分时系统相似,但通过资源预留以保证性能
        • 并发与共享的关系

    并发性指计算机系统中同时存在着多个运行着的程序。

    共享性是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。

      • 1.4.2 操作系统的服务

        • 服务类型
          • 程序执行和终止(包括分配和回收资源)
          • I/O操作
          • 文件系统操作
          • 通信:本机内,计算机之间(通常通信服务的使用者为进程,而不是笼统说"主机")
          • 配置管理:硬件、OS本身、其他软件
          • 差错检测
        • 服务提供方式:系统命令和系统调用

    1.5 操作系统的功能(系统资源的管理者)

      • 1.5.1 处理机管理

    完成处理机资源的分配调度等功能。处理机调度的单位可为进程线程

      • 进程控制:创建、撤销、挂起、改变运行优先级等--主动改变进程的状态
      • 进程同步协调并发进程之间的推进步骤,以协调资源共享;--交换信息能力弱
      • 进程通信:进程之间传送数据,以协调进程间的协作;--交换信息能力强,也可以用来协调进程之间的推进
      • 进程调度:作业和进程的运行切换,以充分利用处理机资源和提高系统性能;--未必是进程控制操作所引起(可能是时间片轮转、I/O操作)
        • 同一类型内的公平性、高效率(吞吐量大)、作业周转时间等
      • 1.5.2 存储管理

    管理目标:提高利用率方便用户使用、提供足够的存储空间、方便进程并发运行。

      • 存储分配与回收
      • 存储保护:保证进程间互不干扰、相互保密;如:访问合法性检查、甚至要防止从"垃圾"中窃取其他进程的信息;
      • 地址映射(变换):进程逻辑地址到内存物理地址的映射;
      • 内存扩充(覆盖、交换和虚拟存储):提高内存利用率扩大进程的内存空间
      • 1.5.3 设备管理

    设备管理的目标是:方便的设备使用、提高CPU与I/O设备利用率

      • 设备操作:利用设备驱动程序(通常在内核中)完成对设备的操作。还需处理外设的IRQ。
      • 设备独立性(device independence):提供统一的I/O设备接口,使应用程序独立于物理设备,提高可适应性;在同样的接口和操作下完成不同的内容(如FAX Modem作为Windows上的打印机设备)。
      • 设备分配与回收:在多用户间共享I/O设备资源
        • 虚拟设备(virtual device):设备由多个进程共享,每个进程如同独占。
      • 缓冲区管理匹配CPU和外设的速度,提高两者的利用率(单缓冲区、双缓冲区和公用缓冲区)
      • 1.5.4 信息管理(文件管理)

    解决软件资源存储共享保密保护

      • 文件存储空间管理:解决如何存放信息,以提高空间利用率读写性能
      • 目录管理:解决信息检索问题。文件的属性(如文件名)、单一副本赋予多文件名
      • 文件的读写管理和存取控制:解决信息安全问题。系统设口令"哪用户"、用户分类"哪用户组"、文件权限"针对用户或用户组的读写权"
      • 软件管理:软件的版本、相互依赖关系、安装拆除
      • 1.5.5 用户接口

    目标:提供一个友好的用户访问操作系统的接口。操作系统向上提供两种接口:

      • 系统命令:供用户用于组织和控制自己的作业运行。命令行、菜单式或GUI"联机";命令脚本"脱机"
      • 编程接口:供用户程序和系统程序调用操作系统功能。系统调用和高级语言库函数;

    1.6 常用的操作系统

      • 1.6.1 MS DOS
      • 1.6.2 MS Windows 3.x, Windows 95, Windows NT, Windows 2000
      • 1.6.3 UNIX

    1.7 操作系统的运行机制与体系结构

      • 指令:一条高级语言的代码翻译过来可能会对应多条指令(CPU能识别、执行的最基本命令)
      • 1.7.1 运行机制

        • 指令
          • 特权指令:不允许用户程序使用(eg:内存清零指令)(需要在处理机状态下的核心态下执行
          • 非特权指令:(eg:普通运算指令)(需要在处理机状态下的核心态或用户态下执行)
        • 处理器状态(用程序状态寄存器PSW中的某个标志位来标识处理器处于什么状态)
          • 核心态:特权指令和非特权指令都可以执行
          • 用户态:此时CPU只能执行非特权指令
          • 用户态 --> 核心态的切换是通过“中断”唯一实现的。
        • 程序
          • 内核程序:操作系统的内核程序是系统的管理者,既可以执行特权指令,也可以执行非特权指令,运行在核心态。(需要使用核心态的程序
          • 应用程序:为了保证系统能安全运行,普通应用程序只能执行非特权指令,运行在用户态
      • 1.7.2  操作系统内核

        • 内核是计算机上配置的底层软件,是操作系统最基本、最核心的部分。
        • 实现操作系统内核功能的那些程序就是内核程序。
      • 1.7.3 操作系统的体系结构

      • 大内核:
      • 微内核:
      • 1.8 中断和异常

        • 1.8.1 中断机制的诞生

          • 实现多道程序并发执行
          • 本质:发生中断就意味着需要操作系统介入,开展管理工作
        • 1.8.2 中断的概念和作用

          • 1.  当中断发生时,CPU立即进入核心态
          • 2.当中断发生后,当前运行的进程暂停运行,并由操作系统内核对中断进行处理
          • 3.对于不同的中 断信号,会进行不同的处理
          • 发生了中断,就意味着需要操作系统介入,开展管理工作。由于操作系统的管理工作(比如进程切换、分配I/o设备等)需要使用特权指令,因此CPU要从用户态转为核心态。中断可以使CPU从用户态切换为核心态,使操作系统获得计算机的控制权。有了中断,才能实现多道程序并发执行
        • 1.8.3 中断的分类

          • 另一种分类方式:
        • 1.8.4 外中断的处理过程

      • 1.9 系统调用

        • 1.9.1 什么是系统调用,有何作用?

          • 操作系统作为用户和计算机硬件之间的接口,需要向上提供一些简单易用的服务。主要包括命令接口和程序接口。其中,程序接口由一组系统调用组成。
          • 应用程序通过系统调用请求操作系统的服务。系统中的各种共享资源都由操作系统统一掌管,因此在用户程序中,凡是与资源有关的操作〈如存储分配、I/o操作、文件管理等),都必须通过系统调用的方式向操作系统提出服务请求,由操作系统代为完成。这样可以保证系统的稳定性和安全性,防止用户进行非法操作。
        • 1.9.2 系统调用和库函数的区别

        • 1.9.3 系统调用背后的过程

          • 系统调用发生在用户态,对系统调用的处理发生在核心态
          • 执行陷入指令会产生内中断,使处理器从用户态进入核心态
      • 小结

        • OS地位、目的、作用和组成
        • OS发展:主要动力
        • OS分类:批处理、分时、实时、(通用)、多处理、网络和分布式、PC
        • OS的结构:模块--层次--Client-Server
        • OS的特征和服务
        • OS功能

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    大家好,我是Lex 喜欢欺负超人那个Lex

    擅长领域:python开发、网络安全渗透、Windows域控Exchange架构

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    1、Windows操作系统资源合集

    2、猎奇操作系统合集:朝鲜红星、国产麒麟、红旗、渗透专用系统、OracleLinux系统

    3、Windows AD域控  Exchange邮箱架构

    4、powershell自动化 管理Windows

    5、Windows服务器运维海量问题及解决方法合集

    在CSDN混迹这么多年

    感觉在技术宽度和广度都深不可测的C站

    Windows方面的技术相对较少一些

    今天,借着寻找C站宝藏的活动

    介绍一些C站宝藏的 Windows相关资源+技术专栏

    附带一下猎奇操作系统的资源~~~

    【操作系统资源:吐血整理,建议收藏,以备不时之需】

     朝鲜自主研发RedStar操作系统

    朝鲜自主开发RedStar3.0操作系统
    https://download.csdn.net/download/weixin_42350212/13607187

    朝鲜自主开发RedStar2.0操作系统
    https://download.csdn.net/download/weixin_42350212/13606637

    Windows操作系统资源合集

    WIN98/ME/2000操作系统合集
    https://download.csdn.net/download/weixin_42350212/13683154

    Windows95操作系统
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    Windows2008服务器—en_windows_server_2008_datacenter_enterprise_standard_sp2_x86
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    https://download.csdn.net/download/weixin_42350212/13184171

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    WindowServer2012R2

    cn_windows_server_2012_r2_vl_x64_dvd_2979220.iso
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