一、操作系统基本概念

1.1 基本概念

操作系统（Operating System， OS）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；以提供给用户和其他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。

1.2 四大特征

并发、共享、虚拟、异步。

1. 并发只在同时发生，微观上是交替发生。
2. 并发是指同一时间间隔内发生，并行是指同一时刻发生。
3. 单核cpu同一时刻只能执行一个程序，各程序只能并发执行。
多核cpu同一时刻可同时执行多个程序，多个程序可并行执行。
4. 并发与共享是两个最基本的特征，二者互为存在条件。

1. 共享分为：互斥共享方式和同时共享方式：
互斥共享方式：在一段时间内只允许一个进程访问该资源。
同时共享方式：允许在一段时间内有多个进程同时访问。
2. 虚拟技术分为：空分复用技术（如虚拟存储器技术）和时分复用技术（如虚拟处理器技术）

1.3 目标和功能

作为系统资源的管理者

提供功能：处理机管理、存储器管理、文件管理、设备管理
目标：安全、高效
向上层提供方便易用的服务

给 一般用户 直接使用的接口：
图形接口：如 GUI
命令接口：联机命令接口、脱机命令接口（区别在于一行和一堆）

给 应用程序/编程人员 使用的接口：
程序接口（系统调用），即通过程序间接使用。
最接近硬件的软件

二、操作系统的分类与发展

单道批处理与多道批处理的区别：
在这里插入图片描述
注：多道批处理的并行，对于单核cpu指的是I/O与CPU并行。

三、操作系统的运行环境

3.1 运行机制

两种指令：特权指令和非特权指令
操作系统内核作为 “管理者”，有时会让CPU执行一些特权指令，这些指令只允许 “管理者” 来执行。

常见的特权指令：
① 开中断指令、关中断指令
② 写时钟指令（置时钟指令）
③ 写入/输出指令（I/O指令）
④ 写 PSW 寄存器指令（访问程序状态指令）
⑤ 内存清零指令
两种处理器状态：内核态和用户态
处于内核态时，说明正在运行的是内核程序，即可执行特权指令，又可执行非特权指令。
处于用户态时，说明正在运行的是应用程序，只能执行非特权指令。
其中，内核态又称目态，内核态又称管态。

内核态→用户态： 一条修改 PSW 的特权指令。
用户态→内核态： 由中断引起，硬件自动完成。触发中断信号意味着 OS 将强行夺回CPU的使用权。
如：① 请求系统内核服务，CPU在用户态下执行陷入指令，引发中断，意味着应用程序主动将 CPU 控制权还给操作系统。
② 试图在用户态下执行特权指令，引发 OS 变成内核态，夺回 CPU 使用权等

注：陷入指令 = 访管指令 = trap指令
两种程序：内核程序和应用程序
三者关系：操作系统的内核程序，即可运行特权指令，又可运行非特权指令，程序运行在核心态。普通应用程序只能运行非特权指令，运行在用户态。

注：中断处理程序一定是内核程序，其运行在内核态。

3.2 中断和异常

中断是让操作系统夺回CPU使用权的唯一途径。

中断的分类：

注：故障（Fault）和自陷（Trap）统称为 软件中断，终止（Abort）是 硬件中断。
中断机制的基本实现原理：

1. 检查中断信号：
内中断：CPU在执行指令时，会检查是否有异常发生。
外中断：每个指令周期末尾，CPU都会检查是否有外中断信号需处理。
2. 找到相应的中断处理程序：
硬件向量法（中断向量法）、软件查询法
中断处理时保存的数据：

1. 硬件负责：PC、PSW
2. OS负责：其他有 “必要” 保存的数据（如：通用寄存器）、中断屏蔽字
若此类寄存器在中断处理中不使用，则不用保存。
中断处理完整流程：

① 当 CPU 检测到中断信号后，由硬件自动保存被中断程序的断点（即程序计数器 PC）。
② 硬件找到该中断信号对应的中断向量，中断向量指明中断服务程序入口地址（各中断向量统一存放在中断向量表中，该表由操作系统初始化）。
③ 开始执行中断服务程序，保存 PSW、中断屏蔽字、各通用寄存器的值，并提供与中断信号对应的中断服务，中断服务程序属于操作系统的内核。

操作系统完成：提供中断服务、初始化中断向量表、保存中断屏蔽字（来源：20年408第25题）

3.3 系统调用

系统调用是操作系统给 编程人员/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，应用程序可以通过系统调用来请求获得操作系统内核的服务。

系统调用与库函数的区别：
库函数有时会对系统调用进行封装，以隐藏系统调用的一些细节，如“创建一个新文件”的函数。但也存在不涉及系统调用的库函数，如“取绝对值”的函数。编程人员调用库函数，会使得编程更加方便。
涉及系统调用的功能：
应用程序通过系统调用请求操作系统的服务。而系统中的各种共享资源都由操作系统内核统一掌管，因此凡是与共享资源有关的操作（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内核提出服务请求，由操作系统内核代为完成。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。
系统调用过程：

过程： 传递系统调用参数 → 执行陷入指令（用户态）→ 执行相应的内请求核程序处理系统调用（内核态）→ 返回应用程序
注意： 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，使CPU进入核心态
② 发出系统调用请求是在用户态，而对系统调用的相应处理在核心态下进行
③ 陷入指令 = 访管指令 = trap指令

四、操作系统的体系结构

4.1 宏内核与微内核

操作系统的内核

注：① 宏内核，又名：大内核、单内核
② 操作系统内核需要运行在内核态
③ 操作系统的非内核功能运行在用户态
操作系统内核功能
1. 宏内核与微内核对比
  若应用程序的一个服务处理同时涉及进程管理、存储管理、设备管理，宏内核需要 2 次 “变态”，而微内核需要 6 次 “变态”。
  
  注：处理器两种状态之间的转换是有成本的。

4.2 分层结构

分层法是将操作系统分为若干层，最底层是硬件，最高层是用户接口，煤层智能调用紧邻它的低层的功能和服务（单向依赖）。

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优点： ① 便于调试和验证，自底向上逐层调试验证。
② 易扩充和易维护，各层之间调用接口清晰固定。
缺点： ① 仅可调用相邻低层，难以合理定义各层的边界。
② 效率低，不可跨层调用，系统调用执行时间长。

4.3 模块化

模块化是将操作系统按功能划分为若干个具有一定独立性的模块，各模块之间相互协作。

内核 = 主模块 + 可加载内核模块
主模块：只负责核心功能，如：进程调度、内存管理等
可加载内核模块：可以动态加载新模块到内核而无需重新编译整个内核，如：设备驱动程序

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优点： ① 模块间逻辑清晰易于维护，确定模块间接口后即可多模块同时开发。
② 支持动态加载新的内核模块(如:安装设备驱动程序、安装新的文件系统模块到内核)，增强OS适应性。
③ 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。
缺点： ① 模块间的接口定义未必合理、实用。
② 模块间相互依赖，更难调试和验证。

4.4 外核

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。

优点： ① 外核可直接给用户进程分配 “不虚拟、不抽象” 的硬件资源，使用户进程可以更灵活的使用硬件资源。
② 减少了虚拟硬件资源的 “映射层”，提升效率。
缺点： ① 降低了系统的一致性。
② 使系统变得更加复杂。

五、操作系统引导

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引导流程：
① 激活的 CPU 读取 ROM 中的自举程序，开始执行 BIOS 程序中的指令，并开始进行硬件自检。
② 将磁盘的第一块，主引导记录 MBR 读入内存，执行磁盘引导程序，其会扫描分区表，得知活动分区位置。
③ 从活动分区（又称主分区，即安装了操作系统的分区 C盘）读入分区引导记录 PBR，执行其中的程序，负责找到 “启动管理器”。
④ 从根目录下找到完整的操作系统初始化程序（即启动管理器）并执行，完成开机的一系列动作。

注：操作系统最终被加载到 RAM 中。