計算機系統的層次結構

操作系統的定義

操作系統（Operating System， OS）是指控制和管理整個計算機系統的硬件和軟件資源，并合理地組織調度計算機的工作和資源的分配；以提供給用戶和其他軟件方便的接口和環境；它是計算機系統中最基本的系統軟件

操作系統是系統資源（硬件和軟件）的管理者
向上層提供方便易用的服務
是最接近硬件的一層軟件

操作系統的功能和目標

作為系統資源的管理者

提供的功能：
- CPU（處理機）管理
- 內存（存儲器）管理
- 文件管理
- 設備管理
目標：安全、高效

向上層提供方便易用的服務

封裝思想：操作系統把一些硬件功能封裝成簡單易用的服務，使用戶能更方便地使用計算機，用戶無需關心底層硬件的原理，只需要對操作系統發出命令即可

直接給用戶使用的
- GUI
- 命令接口：聯機命令接口、脫機命令接口
給軟件/給程序員使用
- 程序接口：可以在程序中進行系統調用來使用程序接口。普通用戶不能直接使用程序接口，只能通過程序代碼間接使用

作為最接近硬件的層次

需要實現對硬件機器的拓展：操作系統將 CPU、內存、磁盤、顯示器、鍵盤等硬件合理地組織起來，讓各種硬件能夠相互協調配合，實現更多更復雜的功能，普通用戶無需關心這些硬件在底層是怎么組織起來工作的，只需直接使用操作系統提供的接口即可

操作系統的四個特征

并發和共享是兩個最基本的特征（沒有并發和共享，就談不上虛擬和異步），二者互為存在條件

并發

并發指兩個或多個事件在同一時間間隔內發生。這些事件宏觀上是同時發生的，但微觀上是交替發生的。

并行：指兩個或多個事件在同一時刻同時發生

操作系統的并發性指計算機系統中“同時”運行著多個程序，這些程序宏觀上看是同時運行著的，而微觀上看是交替運行的。操作系統就是伴隨著“多道程序技術”而出現的。因此，操作系統和程序并發是一起誕生的
- 單核 CPU 同一時刻只能執行一個程序，各個程序只能并發地執行
- 多核 CPU 同一時刻可以同時執行多個程序，多個程序可以并行地執行

共享

共享即資源共享，是指系統中的資源可供內存中多個并發執行的進程共同使用。
兩種資源共享方式
- 互斥共享方式：系統中的某些資源，雖然可以提供給多個進程使用，但一個時間段內只允許一個進程訪問該資源
- 同時共享方式：系統中的某些資源，允許一個時間段內由多個進程“同時”（宏觀上）對它們進行訪問

虛擬

虛擬是指把一個物理上的實體變為若干個邏輯上的對應物。物理實體（前者）是實際存在的，而邏輯上對應物（后者）是用戶感受到的。
- 空分復用技術（如虛擬存儲技術）
- 時分復用技術（如虛擬 CPU 技術）

顯然，如果失去了并發性，則一個時間段內系統中只需運行一道程序，那么就失去了實現虛擬性的意義了。因此，沒有并發性，就談不上虛擬性

異步

異步是指，在多道程序環境下，允許多個程序并發執行，但由于資源有限，進程的執行不是一貫到底的，而是走走停停，以不可預知的速度向前推進，這就是進程的異步性。

如果失去了并發性，即系統只能串行地運行各個程序，那么每個程序的執行會一貫到底。只有系統擁有并發性，才有可能導致異步性。

操作系統的發展與分類

手工操作階段：紙帶機
批處理階段——單道批處理系統：引入脫機輸入/輸出技術（用外圍機 + 磁帶完成），并由監督程序負責控制作業的輸入、輸出
- 主要優點：緩解了一定程度的人機速度矛盾，資源利用率有所提升
- 主要缺點：內存中僅能有一道程序運行，只有該程序運行結束之后才能調入下一道程序。CPU 有大量的時間是在空閑等待 I/O 完成，資源利用率依然很低
批處理階段——多道批處理系統：每次往內存中讀入多道程序，操作系統正式誕生，用于支持多道程序并發運行
- 主要優點：多道程序并發執行，共享計算機資源。資源利用率大幅提升，CPU 和其他資源更能保持“忙碌”狀態，系統吞吐量增大。
- 主要缺點：用戶響應時間長，沒有人機交互功能（用戶提交自己的作業之后就只能等待計算機處理完成，中間不能控制自己的作業執行。eg：無法調試程序/無法在程序運行過程中輸入一些參數）
分時操作系統：計算機以時間片為單位輪流為各個用戶/作業服務，各個用戶可通過終端與計算機進行交互。
- 主要優點：用戶請求可以被即時響應，解決了人機交互問題。允許多個用戶同時使用一臺計算機，并且用戶對計算機的操作相互獨立，感受不到別人的存在。
- 主要缺點：不能優先處理一些緊急任務。操作系統對各個用戶/作業都是完全公平的，循環地為每個用戶/作業服務一個時間片，不區分任務的緊急性。
實時操作系統：在實時操作系統的控制下，計算機系統接收到外部信號后及時進行處理，并且要在嚴格的時限內處理完事件。實時操作系統的主要特點是及時性和可靠性
- 主要優點：能夠優先響應一些緊急任務，某些緊急任務不需時間片排隊。
- 分類：硬實時操作系統：必須在絕對嚴格的規定時間內完成處理；軟實時操作系統：能接受偶爾違反時間規定
其他幾種操作系統：
- 網絡操作系統：是伴隨著計算機網絡的發展而誕生的，能把網絡中各個計算機有機地結合起來，實現數據傳送等功能，實現網絡中各種資源的共享（如文件共享）和各臺計算機之間的通信。（如：Windows NT 就是一種典型的網絡操作系統，網站服務器就可以使用）
- 分布式操作系統：主要特點是分布性和并行性。系統中的各臺計算機地位相同，任何工作都可以分布在這些計算機上，由它們并行、協同完成這個任務
- 個人計算機操作系統：如 Windows XP、MacOS，方便個人使用

操作系統的運行機制

如何區分 CPU 處于用戶態還是內核態：CPU 中有一個寄存器叫程序狀態字寄存器（PSW），其中有個二進制位，1 表示內核態，0 表示用戶態（有的 CPU 也可能相反）
內核態=核心態=管態，用戶態=目態
內核態和用戶態的切換
- 剛開機時，CPU 為內核態，操作系統內核程序先在 CPU 運行
- 開機完成后，用戶可以啟動某個應用程序
- 操作系統內核程序在合適的時候主動讓出 CPU，讓該應用程序上 CPU 運行（操作系統內核在讓出 CPU 之前，會用一條特權指令把?PSW?的標志位設置為用戶態）
- 應用程序運行在用戶態
- CPU 發現要執行的指令是特權指令，但是處在用戶態，這個非法事件會引發一個中斷信號
- CPU 檢測到中斷信號后，會立即變為內核態，并停止運行當前的應用程序，轉而運行處理中斷信號的內核程序
- 操作系統獲取 CPU 的控制權，直到處理完中斷后再將 CPU 使用權轉給應用程序

內核態——用戶態：執行一條特權指令——修改?PSW?的標志位為用戶態，這個動作意味著操作系統將主動讓出 CPU 使用權
用戶態——內核態：由中斷引發，硬件自動完成變態過程，觸發中斷信號意味著操作系統將強行奪回 CPU 的使用權（除了非法使用特權指令之外，還有很多事件會觸發中斷信號。一個共性是，但凡需要操作系統介入的地方，都會觸發中斷信號）

中斷和異常

中斷是讓操作系統內核奪回 CPU 使用權的唯一途徑

中斷的作用

沒有中斷機制，就不可能實現操作系統，不可能實現程序并發

讓操作系統內核強行奪回 CPU 的控制權
使 CPU 從用戶態變為內核態

中斷類型

內中斷（異常、例外）：與當前執行的指令有關，中斷信號來源于?CPU 內部
- 陷阱、陷入：執行陷入指令，意味著應用程序主動地將 CPU 控制權還給操作系統內核。系統調用就是通過陷入指令完成（陷入指令）（注意不是特權指令，能再用戶態使用）
- 故障：由致命錯誤引起，內核程序無法修復該錯誤，因此一般不再將 CPU 使用權還給引發終止的應用程序，而是直接終止該應用程序。如：整數除 0、非法使用特權指令
- 終止：由錯誤條件引起的，可能被內核程序修復。內核程序修復故障后會把 CPU 使用權還給應用程序，讓它繼續執行下去。如：缺頁故障。
外中斷：與當前執行的指令無關，中斷信號來源于?CPU 外部
- 時鐘中斷
- I/O 中斷請求