一、操作系統的概念

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

二、功能和目標

資源的管理者

功能：

• 處理機的管理
• 存儲器的管理
• 文件管理
• 設備管理

向上層提供服務

直接給用戶使用包括GUI（圖形用戶界面) 和命令接口。
命令接口包括聯機命令接口和脫機命令接口

聯機命令接口相當于windows系統使用的cmd

脫機命令接口就是.bat文件

向程序提供的程序接口：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。

對硬件的擴展

操作系統對硬件機器的拓展: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。

三、操作系統的特征

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。

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。

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”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。

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

四、操作系統的發展與分類

手工操作階段

用戶在計算機上算題的所有工作都要人工干預

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。

多道批處理系統

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

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

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。
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

操作系統的運行機制

特權指令：如內存清零指令
非特權指令：如普通的運算指令

用戶態：cpu只能執行非特權指令
核心態：特權指令、非特權指令都可執行

內核程序： 操作系統的內核程序是系統的管理者，既可以執行特權指令，也可以執行非特
權指令，運行在核心態。
應用程序： 為了保證系統能安全運行，普通應用程序只能執行非特權指令，運行在用戶態

中斷和異常

中斷的作用：“中斷”會使CPU由用戶態變為內核態，使操作系統重新奪回對CPU
的控制權

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

中斷類型

內中斷：與當前執行的指令有關，中斷信號來源于CPU內部
外中斷：與當前執行的指令無關，中斷信號來源于CPU外部

中斷機制的基本原理

不同的中斷信號，需要用不同的中斷處理程序來處理。當CPU檢測到中斷信號后，會根據中斷信號的類型去查詢“中斷向量表”，以此來找到相應的中斷處理程序在內存中的存放位置。

系統調用

操作系統作為用戶和計算機硬件之間的接口，需要向上提供一些簡單易用的服務。主要包括命令接口和程序接口。其中，程序接口由一組系統調用組成。

分類

• 設備管理：完成設備的請求/釋放/啟動等功能
• 文件管理：完成文件的讀/寫/創建/刪除等功能.
• 進程控制：完成進程的創建/撤銷/阻塞/喚醒等功能
• 進程通信：完成進程之間的消息傳遞/信號傳遞等功能.
• 內存管理：完成內存的分配/回收等功能

系統調用的過程

1. 陷入指令是在用戶態執行的，執行陷入指令之后立即引發一個內中斷，使CPU進入核心態
2. 發出系統調用請求是在用戶態，而對系統調用的相應處理在核心態下進行

操作系統的體系結構

大內核

將操作系統的主要功能模塊都作為系統內核，運行在核心態
優點:高性能
缺點:內核代碼龐大，結構混亂，難以維護

微內核

只把最基本的功能保留在內核
優點:內核功能少，結構清晰，方便維護
缺點:需要頻繁地在核心態和用戶態之間切換，性能低