关于本书内容

1. 概论：1~2章解释了操作系统是什么，他们能做什么，以及他们是如何设计与构造的
2. 进程管理：3~7章描述了进程概念和并发，这是现代操作系统的核心。进程是系统内的工作单元。
3. 内存管理：8~9章是关于进程执行期间的内存管理的。
4. 存储管理：10~13章描述了现代计算机系统如何处理文件系统、大容量存储和I/O。
5. 保护与安全：14~15章讨论了计算机系统保护与安全的必须机制。
6. 案例研究：16~17章详细研究了操作系统实际案例

0.前言

**操作系统（operating system)**是管理计算机硬件的程序。它还为应用程序提供基础，并且充当计算机用户和计算机硬件的中介。
操作系统的令人惊奇的特点，完成这些任务的方式多种多样：
大型机的操作系统主要用于优化硬件使用率
个人计算机(Person Computer,PC)的操作系统支持复杂游戏、商业应用和这两者之间的其他应用。
移动计算机的操作系统为用户提供了一个环境，以便计算机之间进行交互及执行程序。
因此，操作系统设计有的关注于便捷或高效、有的则兼顾两者

1.1操作系统的功能

1. 计算机系统四个组成部分：硬件、操作系统、系统程序和用户程序、用户
2. 硬件为系统提供了基本的计算资源。应用程序规定了用户按何种方式使用这些资源，操作系统不过提供了一个方便其它程序做有用工作的环境。

1.1.1 用户视角

操作系统设计的主要目的是用户使用方便，次要的是性能，不在乎的是资源利用

1.1.2 系统视角

操作系统看作资源分配器。

• 操作系统管理这些资源
• 面对冲突的资源请求，操作系统必须决定如何为各个程序和用户分配资源，以便计算机系统能有效而公平的运行。

操作系统是控制程序，管理用户程序的执行防止计算机资源的错误使用或使用不当。

1.1.3 操作系统的定义

操作系统是一组控制和管理计算机硬件和软件资源、合理地对各类作业进行调度，以及方便用户的程序集合。

操作系统的目标：执行用户程序，更容易地解决用户问题。使计算机系统使用方便。使计算机系统使用方便。

1.2 计算机系统的组成

1.2.1 计算机系统的运行

现代通用计算机系统由一个或多个CPU和若干设备控制器通过共同的总线相连而成。

打开电源或重启——运行初始化程序（引导程序）——定位操作系统并将其装入内存——执行第一个进程
引导程序：通常位于ROM或者EEPROM，称为计算机硬件中的固件。用来初始化系统的所有部分（CPU寄存器，设备控制器和内存）。
中断：硬件可随时通过系统总线向CPU发出信号，出发中断。软件通过系统调用（或者其他特别操作）触发中断。（当CPU被中断时，它停止正在做的事，并转到固定位置再继续执行）
发生中断——调用一个通用子程序检查中断信息——使用中断处理指针表（中断向量）——间接调用中断处理子程序

现在的操作系统都是以中断为驱动的。

1.2.2 存储结构

内存是处理器可以直接访问的唯一的大容量存储区域（也称为随机访问内存RAM）
内存通常为动态随机访问内存（Dynamic Random Access Memory,DRAM),它采用半导体技术来实现。
CPU只能从内存中加载指令，因此执行程序必须位于内存。

辅存：一般是磁盘。（因为内存太小，而且是易失性存储设备。）
各种存储系统的差别主要是速度、价格、大小和易失性。
易失性：断电时，会丢失内容

价格逐渐降低，大小逐渐增大，速度逐渐减慢，主存以上易失

1.2.3 I/O结构

DMA（直接内存访问）
用于高速I/O设备，能够以接近内存速度传送信息。
设备控制器无需CPU干预直接将数据块从缓冲存储器直接传输到主存。
每个块只产生一个中断，而不是每个字节的一个中断。

1.3 计算机系统体系结构

单处理器系统：仅用一个处理器来完成系统操作和目标仿真
多处理器系统：也称（并行系统或多核系统），多处理器系统有多个紧密通信的CPU，它们共享计算机总线，有时还有时钟、内存和外设等。
集群系统：与多处理器系统一样，集群系统将多个CPU集中起来完成计算任务。然而，集群系统与多处理器系统不同，它是由两个或多个独立的系统耦合起来的。集群计算机共享存储并通过局域网络连接或更快的内部连接。
多处理器系统（并行系统、紧耦合系统）

优点： 增加吞吐量、规模经济、增加可靠性。
分类：

1. 非对称多处理：每个处理器都有各自特定的任务。一个主处理器控制系统，其他处理器或者向主处理器要任务或做预先定义的任务。
2. 对称多处理：每个处理器都要完成操作系统中的所有任务。所有处理器对等，处理器之间没有主-从关系。

1.4 操作系统的结构

操作系统最重要的一点是要有多道程序处理能力。多道程序设计通过组织作业（编码或数据）使CPU总有一个作业在执行，从而提高了CPU的利用率。

操作系统的三种基本类型：

1. Batch systems（批处理系统）
2. Time-sharingsystems（分时系统）
3. Real timesystems（实时系统）

批处理系统

1. 工作方式：用户将作业交给系统操作员，系统操作员将许多用户的作业组成一批作业(jobs)之后输入到计算机中，在系统中形成一个自动转接的连续的作业流，系统自动、依次执行每个作业。最后由操作员将作业结果交给用户。操作系统：自动将控制从一个任务转到下一个任务。
2. 分类：单道批处理系统、多道批处理系统
3. 批处理操纵系统优点：作业流程自动化、效率高、吞吐量高。
4. 批处理操纵系统缺点：无交互手段、调试程序困难。

分时系统- 交互式计算

1. 分时系统（或多任务）是多道程序设计的延伸。
2. 共享需要一种交互计算机系统，它能提供用户与系统之间的直接通信。响应时间短（通常小于一秒钟）。
3. 允许多用户共享计算机。由于每个动作或命令都较短，每个用户只需少量CPU时间，用户之间切换时间短，所以用户会感觉整个系统为自己所用。

实时系统：实时操作系统是保证在一定时间限制内完成特定功能的操作系统。
分类：
硬实时系统：硬实时要求在规定的时间内必须完成操作，这是在操作系统设计时保证的。
软实时系统：软实时则只要按照任务的优先级，尽可能快地完成操作即可。

1.5 操作系统的执行

事件总是由中断或者陷阱引起的

1.5.1 双重模式与多重模式的执行

为了确保操作系统的正确运行，必须区分操作系统代码和用户代码的执行。大多数计算机系统采用硬件支持，以便区分各种执行模式，至少需要两种独立的操作模式：用户模式、内核模式（监视模式、系统模式、特权模式）

将能引起损害的机器指令作为特权指令。用户模式下想要执行特权指令，硬件不会执行，会认为是非法指令，并以陷阱的形式通知操作系统。

系统引导时，硬件开始处于内核模式。接着，装入操作系统，开始进入用户模式。出现陷阱或中断，会进入内核模式。

1.5.2 定时器

防止用户进入死循环或不调用系统服务。定时器在给定时间后中断计算机。操作系统将控制权交给用户之前，设置定时器。修改定时器的操作就是特权指令。

剩余小节都会在后续章节中详细介绍