第一章-计算机系统概述

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。

• 处理机管理
• 存储器管理
• 文件管理
• 设备管理

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
GUI：图形化用户界面
程序接口：可以在程序中进行==系统调用==来使用程序接口。
四个特征：
+ 并发：指两个或多个时间在同一时间间隔内发生。这些事件宏观上是同时发生的，但微观上是交替发生的。（并行：两个或多个事件在同一时刻同时发生）操作系统和程序并发是一起诞生的。单核CPU同一时刻只能执行一个程序，各个程序只能并发的执行；多核CPU同一时刻可以同时执行多个程序，多个程序可以并行的执行。
+ 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。
+ 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。
+ 同时共享方式：系统中的某些资源，允许一个时间段内多个进程“同时”对他们进行访问。
+ 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，而逻辑上对应物是用户感受到的。
+ 空分复用技术
+ 时分复用技术
+ 异步：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，进程的执行不是一贯到底的，而实走走停停的，以不可预知的速度向前推进。
# 操作系统的发展进程
1. 手工操作系统：用户独占全机、人机速度矛盾导致资源利用率低
2. 批处理阶段
1. 单道批处理系统
+ 优点： 缓解了一定程度的人机速度矛盾，资源利用率有所提高
+ 缺点：内存中仅能有一道程序运行，只有该程序运行结束之后才能调入下一道程序。CPU有大量时间是在空闲等待I/O完成。资源利用率依然很低。
2. 多道批处理系统
+ 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，系统吞吐量增大。
+ 缺点：用户响应时间长，没有人机交互功能
3. 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。
+ 优点：用户请求可以被及时响应，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。
+ 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
4. 实时操作系统：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，==有及时性和可靠性==
+ 硬实时系统
+ 软实时系统
5. 网络操作系统：实现网络中各种资源的共享和各台计算机之间的通信
6. 分布式操作系统：特点是分布性和并行性，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
7. 个人计算机操作系统

CPU存在用户态和内核态：

• 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”，这个动作意味着操作系统将主动让出CPU使用权
• 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

“中断”：让操作系统内核夺回CPU使用权的唯一途径

• 内中断（异常）：与当前执行的指令有关，来源于CPU内部（陷入【用户态执行】、故障、终止）
• 外中断：与当前执行的指令无关，来源于CPU外部（时钟中断、I/O中断）

不同的中断信号，需要用不同的中断处理程序来处理。当CPU检测到中断信号后，会根据中断信号的类型去查询“中断向量表”，以此来找到响应的中断处理程序在内存中的存放位置。
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，应用程序可以通过系统调用来请求获得操作系统内核的服务。
凡是与共享资源有关的操作，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

• 设备管理
• 文件管理
• 进程控制
• 进程通信
• 内存管理

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进行
内核是操作系统最基本、最核心的部分。
变态的过程是有成本的，频繁地变态会降低系统性能。

• 分层结构：每层可单向调用更低一层提供的接口。
• 模块化：将内核划分为多个模块，多个模块之间相互协作。（内核=主模块+可加载内核模块）
• 宏内核：所有的系统功能都放在内核里
• 微内核：只把中断、原语、进程通信等核心功能放入内核，其余功能以用户进程形式运行在用户态（内核足够小、基于C/S模式、应用“机制预测分离”原理、采用面向对象技术）
• 外核：负责为用户进程分配未经抽象地硬件资源，由外核负责保证资源使用安全

引导

1. CPU从一个特定主存地址开始，取指令，执行ROM中的引导程序（先进行硬件自检，再开机）
2. 将磁盘的第一块–主引导记录读入内存，执行磁盘引导程序，扫描分区表
3. 从活动分区（又称主分区，即安装了操作系统的分区）读入分区引导记录，执行其中的程序
4. 从根目录下找到完整的操作系统初始化程序（启动管理器）并执行，完成“开机”的一系列动作

虚拟机

虚拟机：使用虚拟技术，将一台物理机器虚拟化为堕胎虚拟机器，每个虚拟机器都可以独立运行一个操作系统

• 第一类VMM：直接运行在硬件上
• 第二类VMM：运行在宿主操作系统上