一、操作系统的基本概念

1.1 概念（定义）：什么是操作系统

操作系统operating system,OS：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；是计算机系统中最基本的系统软件：
1. os是系统资源的管理者
2. 向上提供方便易用的服务
3. 是最接近硬件的一层软件
执行一个程序前需要将该程序放到内存中，才能被CPU处理
封装思想：os将一些丑陋的硬件功能封装成简单易用的服务，使用户能更方便地使用计算机；用户无需关心底层硬件的原理，只需对操作系统发出命令

1.2 功能和目标：操作系统要做什么

资源的管理者：处理机管理、存储器管理、文件管理、设备管理
向上提供方便易用的服务：
1. 给普通用户的：GUI图形化用户接口(graphical user interface)；命令接口(联机命令接口 = 交互式命令接口、脱机命令接口 = 批处理命令接口)
2. 程序接口(程序代码间接的进行系统调用 = 广义指令使用程序接口)
3. 其中：命令接口与程序接口又称为用户接口
对硬件机器的拓展：没有任何软件支持的计算机称为裸机；覆盖了软件的机器称为扩充机器/虚拟机

1.3 操作系统的特征：并发、共享、虚拟、异步

并发与共享是两个最基本的特征，二者互为存在条件
1. 并发性：计算机系统中同时存在着多个运行着的程序
2. 共享性：系统中的资源可供内存中多个并发程序的进程共同使用
没有并发和共享就谈不上虚拟和异步

1.3.1 并发

并发：两个或多个事件在同一时间间隔内发生；宏观上是同时发生的，微观上是交替发生
并行：两个或多个事物在同一个时刻同时发生
操作系统是伴随着“多道程序技术”而出现的，因此操作系统和程序并发是一起诞生的
并发性是操作系统一个最基本的特性
1. 单核CPU同一时刻只能执行一个程序，各个程序只能并发地执行
2. 多核CPU同一时刻可以同时执行多个程序，多个程序可以并行地执行

1.3.2 共享

共享：资源共享，系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程同时使用
共享方式：
1. 互斥共享方式：一个时间段内只允许一个进程访问该资源，如硬件设备摄像头等
2. 同时共享方式：允许一个时间段内由多个进程“同时”对它们进行访问，如文件读取等

1.3.3 虚拟

虚拟：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，逻辑上的对应物是用户感受到的
虚拟存储器技术，是虚拟技术的“空分复用技术”；虚拟处理器，是虚拟技术的“时空复用技术”

1.3.4 异步

异步：在多道程序环境下，允许多个进程并发执行；但由于资源有限，进程的执行不是一贯到底的，而是走走停停，以不可预知的速度向前推进，即进程的异步性

二、操作系统的发展与分类

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手工操作阶段
- 主要缺点：用户独占全机、人机速度矛盾导致资源利用率极低
批处理阶段——单道批处理系统
- 引入脱机输入/输出技术，并由**监督程序（操作系统的雏形）**负责控制作业的输入、输出
- 主要优点：缓解了一定程度人机速度矛盾，资源利用率有所提升
- 主要缺点：内存中仅能有一道程序运行；CPU有大量的时间是在空闲等待I/O完成；资源利用率依然很低
批处理阶段——多道批处理系统
- 操作系统正式诞生，用于支持多道程序并发运行，每次往内存中读入多道程序
- 主要优点：多道程序并发执行，共享计算机资源；资源利用率大幅提升，CPU和其他资源更能保持“忙碌”状态，系统吞吐率增大
- 主要缺点：用户响应时间长，没有人机交互功能
分时操作系统
- 计算机以时间片为单位轮流为各个用户/作业服务，各个用户可通过终端与计算机进行交互
- 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，且对计算机的操作相互独立，感受不到别人的存在
- 主要缺点：不能处理紧急任务（操作系统对各个用户/作业完全公平，循环地为其服务一个时间片）
实时操作系统在这里插入图片描述
- 计算机系统接收到外部信号后及时进行处理，并在严格的时限内处理完成事件
- 主要优点：能优先响应一些紧急任务，保证及时性和可靠性
- 分类：硬实时操作系统(必须在绝对严格的规定时间内完成处理，如导弹控制系统)、软实时操作系统(能接受偶尔违反时间规定，如订票系统)
网络操作系统：伴随着计算机网络的发展而诞生的，能把网络中各个计算机有机地结合起来，实现数据传送等功能，实现网络中各种资源的共享 (如文件共享)和各台计算机之间的通信 (如: windows NT 就是一种典型的网络操作系统，网站服务器就可以使用)
分布式操作系统：主要特点是分布性和并行性，系统中的各台计算机地位相同，任何工作都可以分布在这些计算机上，由它们并行、协同完成这个任务
个人计算机操作系统:如Windows XP、MacoS，方便个人使用。

三、操作系统的运行机制

指令：处理器CPU能识别、执行的最基本命令

3.1 运行机制

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3.1.1 两种程序：内核程序、应用程序

应用程序：跑在操作系统之上的程序，只能使用“非特权指令”
内核程序：实现操作系统的程序，简称内核kernel；内核是操作系统最重要最核心的部分，也是最接近硬件的部分
CPU设计和生产时就划分了特权指令和非特权指令

3.1.2 两种指令：特权指令、非特权指令

3.1.3 两种处理器状态：核心态、用户态

CPU有两种状态：核心态、用户态
1. 处于内核态时，说明此时正在运行的是内核程序，此时可以执行特权指令
2. 处于用户态时，说明此时正在运行的是应用程序，此时只能执行非特权指令
CPU中有一个PSW程序状态字寄存器，通过其中的二进制位区分内核态还是用户态
状态切换：
1. 内核态 → 用户态: 执行一条特权指令–修改PSW的标志位为“用户态”，意味着操作系统将主动让出CPU使用权
2. 用户态 → 内核态：由**“中断”引发，硬件自动完成变态过程**，触发中断信号意味着操作系统将强行夺回CPU的使用权
3. 凡是需要操作系统介入的地方，都会触发中断信号，如非法使用特权指令

3.2 中断和异常

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3.2.1 中断的作用

CPU上会运行两种程序，一种是操作系统内核程序，一种是应用程序
“中断”是让操作系统内核夺回CPU使用权的唯一途径
“中断”会使CPU由用户态变为内核态，使操作系统重新夺回对CPU的控制权

3.2.2 中断的类型

内中断
1. 与当前指令有关，中断信号来源于CPU内部
2. 例子：特权指令、非法指令、陷入指令(如系统调用，不是特权指令)
3. 陷阱、陷入trap：由陷入指令引发，是应用程序故意引发的
4. 故障fault：由错误条件引起的，可能被内核程序修复；修复后把 CPU使用权还给应用程序，以继续执行，如：缺页故障
5. 终止abort：由致命错误引起，内核程序无法修复该错误，因此一般不再将CPU使用权还给引发终止的应用程序，而是直接终
外中断：与当前指令无关，中断信号来源于CPU外部
1. 时钟中断
2. I/O中断