1.计算机系统概述
1.1 操作系统的基本概念
操作系统是控制和管理整个计算机系统的硬件和软件资源（注意计算机资源包括硬件和软件），合理地组织，调度计算机工作与资源的分配，进而为用户和其他软件提供方便接口与环境的程序集合。
操作系统的特征： 并发、共享、虚拟、异步。并发和共享是操作系统的两个最基本特征。，两者互为存在条件。
操作系统的功能和目标
- 操作系统作为计算机系统**资源管理者**。管理处理机、存储器管理、文件管理、设备管理。
- 操作系统作为用户和计算机硬件系统之间的**接口**，提供命令接口和程序接口（系统调用）。
- 操作系统实现了对计算机**资源的扩充**
shell是命令解析器，属于命令接口。广义指令就是系统调用指令。
**多道程序设计**
-
制约性：多道程序之间的竞争形成相互制约。
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间断性：多道程序的执行是断续的。
-
共享性：多道程序执行共享了资源。
没有了封闭性和顺序性，顺序性是单道程序设计的基本特征。
1.2 操作系统发展历程（关注不同系统的各自优缺点）
手工操作阶段
用户独占全机，资源利用率低。
批处理阶段（操作系统开始出现）
单道批处理系统：自动性、顺序性、单道性。
多道批处理系统：宏观上并行，微观上串行。
理解批处理的概念，就是脱机大批处理一些作业，不交互。（优缺点）
分时操作系统：让多个用户同时使用计算机
将处理器的运行时间分成很短的时间片，按**时间片轮流**分给各个联机作业使用。
分时系统可以实现**人机交互**，这一点上不同于多道批处理系统。
主要特征：
- 同时性（多路性）：允许多个终端用户同时使用一台计算机。
- 交互性。用户能方便和系统进行人机对话。
- 独立性。多个用户可以彼此独立的进行操作。
- 及时性。用户能在很短的时间内获得相应。
实时操作系统
硬实时系统：某个动作必须绝对地在规定时间内发生。
软实时系统：能接受偶尔违反时间规定且并不会引起任何永久性损害。
主要特点：**及时性，可靠性**，通常采用抢占式的优先级高者优先算法，可靠性高，相应及时但是资源利用率低。
分布式计算机系统
分布性和并行性。可以将任何工作都分布在几个计算机上，由他们并行工作，协同完成。
操作系统发展历程
注意区分多任务操作系统是能实现并行的，不同于单处理机的多道程序设计的概念。
甘特图：
批处理系统：脱机处理、不交互、高效利用CPU
分时系统：运行时间、时间片轮转、人机交互
实时系统：硬实时（不允许超时）、软实时（允许偶尔超时）、及时可靠、抢占式优先级高者优先
分布系统：分布、并行
1.3 操作系统运行环境
处理器运行模式：用户态、内核态。
特权指令：指不允许用户直接使用的指令。
内核包含的内容：
- 时钟管理
- 中断机制
- 原语：处于OS最底层，具有原子性，操作一气呵成（关闭中断）
- 系统控制的数据结构以及处理
- 进程管理
- 存储器管理
- 设备管理
中断和异常
在用户态和内核态之间建立一个门，让用户态能进入到内核态。利用中断或者异常来实现。
中断（外中断）：来自CPU执行指令外部的事件，包括时间中断。**外部中断处理中PC由中断隐指令自动保存，不需要操作系统保存。**
异常（内中断）：来自CPU执行指令内部的事件，其实就是错误。
分类：可屏蔽中断、不可屏蔽中断
中断处理中最重要的两个寄存器是PC（程序断点）和程序状态字寄存器（PSW），其中子程序调用只需要保存程序断点。中断处理两个都要保存
**系统调用**
重点关注：内核态和用户态的切换。
执行系统调用的过程：
- 正在运行的进程先传递系统调用参数
- 由trap指令陷入内核
- 执行对应服务程序
- 返回用户态
由用户态转换到核心态的例子：
- 系统调用
- 中断
- 产生错误状态（异常）
- 用户想要执行特权指令
访管指令是程序从用户态切换到内核态会用到的指令，在用户态下运行，不是特权指令。在内核态下，CPU可以执行指令系统中的任何指令，但不能执行访管指令，其在用户态下使用。
注意：计算机通过硬件中断机制来实现用户态到核心态的转换。**
os状态：用户态、内核态
用户态->内核态：系统调用，trap陷入内核，获得操作系统服务，返回用户态
原因：系统调用、中断、异常、特权指令
硬件基础：中断机制
1.4 操作系统结构
层次结构
优点：
- 便于系统调试与验证
- 易扩充，易维护
缺点
- 各层定义困难
- 效率差（服务要穿越多层）
模块化
特点：提高了可维护性，和适应性，开发容易。但是各模块的接口规定很难满足对接口的实际需求。
宏内核：Windows等等有名的都是
将系统的主要功能模块都作为一个紧密联系的整体运行在核心态。有可能会臃肿
微内核：
将最基本的功能保存在内核，将不需要在核心态运行的功能放到用户态执行。操作系统中绝大部分功能都放在微内核外的一组服务器中实现，用微内核进行消息传递。一个模块的崩溃不会让整个代码崩溃。
特点：
- 拓展性和灵活性很好，因为功能都从内核抽离出来了。
- 可靠性安全性都不错，不会全局崩掉。
- 可移植性不错，功能都抽离了，模块化了，移植方便。
- 分布式计算
但是用户态和核心态之间的切换变得更为频繁，这样会**影响性能**。小是小了，进进出出的让系统没有宏内核高效。
微内核中应该放什么？———越低级的越要放进来，比如低级I/O，低级进程管理与调度；越频繁用到的越要放进来，比如进程调度，中断和陷入处理
外核
为**虚拟机分配资源**，并**检查**这些请求是否**合法。**外核做的就是保证多个虚拟机彼此之间不发生冲突。
分层：定义困难效率差
模块化：接口规定困难
宏内核：
微内核：拓展性、灵活性、移植性好，状态切换影响性能
外核：虚拟机分配资源、检查合法
1.5 操作系统引导
- 激活CPU，读取ROM中的boot程序，开始执行BIOS的第一条语句
- 硬件自检
- 加载带有操作系统的硬盘
- 加载主引导记录MBR，MBR告诉CPU应该去硬盘的哪一个主分区找操作系统
- 扫描硬盘分区表
- 加载分区引导记录PBR，寻找并激活用于引导操作系统的程序
- 加载启动管理器
- 加载操作系统
1.6 虚拟机
为用户提供抽象的，统一的，模拟的计算环境。虚拟化方法分两类：
第一类虚拟机管理程序就像一个操作系统，是唯一运行在最高特权的程序。向上提供若干个虚拟机，让每一个虚拟机的操作系统都以为自己在内核态运行，实际上其在用户态进行。每一个虚拟机就是一个进程。
第二类虚拟机管理程序依赖于一个宿主操作系统，在这个系统上面运行一个进程。
操作系统的概念：管理硬件的一组软件
软件层分为：用户态和内核态
操作系统作为资源管理：
- 允许多道程序同时运行
- 管理内存、io等资源
- 时间和空间上实现资源共享复用（虚拟化）
操作系统：
- 分配、保护、回收（抢占/非抢占）、虚拟化资源
- 提供抽象、简化、方便、标准化的服务
CPU模式：用户态和内核态
用户程序从os获得服务，使用系统调用陷入内核，调用trap指令切换CPU模式，启动os
内存关心的问题：什么时候装入内存、要把哪一个装入内存、要把哪一个移出内存、要把新的装到内存哪里
一些概念：进程、地址空间、文件、输入输出、保护、shell
- 进程：地址空间，进程表项PCB
- 进程树：操作系统生成根进程
- CPU管理：同步互斥、公平（进程调度）、无死锁
- 保护：系统安全性依靠操作系统，Unix使用9位二进制保护代码
- shell：操作系统命令解析器，终端用户和操作系统的接口
系统调用：进程管理的系统调用、文件管理的系统调用、目录管理的系统调用
操作系统结构：
- 简单的整体结构：主过程、服务过程、实用过程（下层为上层提供服务）
- ->（分层）层次结构：上层在下层的基础上构建
- ->（可靠）微内核：可靠防死机
- ->（进程分两类）客户机-服务器：网络机器上的抽象，web运行方式
- ->（裸机复制）虚拟机：运行多个os
- ->（分配）外核：运行在内核态，位虚拟机分配资源，隔离