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操作系统的概念、功能

操作系统（Operating System，OS）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；以提供用户和其他软件方便的接口和环境；它说计算机系统中最基本的系统软件。
操作系统说系统资源的管理者-向上层提供方便易用的服务-是最接近硬件的一层软件

封装思想：操作系统把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，只需要对操作系统发出命令即可。
GUI：图形化用户接口（Graphicl User Interface）
用户可以使用形象的图形界面进行操作，而不再需要记忆复杂的命令、参数。
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
程序接口：可以在程序中进行系统调用来使用程序接口。普通用户不能直接使用程序接口，只能通过程序代码间接使用。

需要实现对硬件机器的扩展
没有任何软件支持的计算机成为裸机。在裸机上安装的操作系统，可以提供资源管理功能和方便用户的服务功能，将裸机改造成功能更强、使用更方便的机器
通常把覆盖了软件的机器成为扩充机器，又称之为虚拟机
操作系统对硬件机器的扩展：将CPU、内存、磁盘、显示器、键盘等硬件合理地组织起来，让各种硬件能够相互协调配合，实现更多更复杂的功能。

操作系统的特征

并发

指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。这些事件宏观上说同时发生的，但微观上是交替发生的。
易混淆概念–并行：指两个或多个事件在同一时刻同时发生
操作系统的并发性指计算机系统中“同时”运行着多个程序，这些程序宏观上看是同时运行着，而微观上看是交替运行的；
操作系统就是伴随着“多道程序技术”而出现的。因此，操作系统和程序并发说一起诞生的。
单核CPU同一时刻只能执行一个程序，各个程序只能并发地执行
多核CPU同一时刻可以同时执行多个程序，多个程序可以并发地执行

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

实例：
互斥共享方式：使用QQ和微信视频。同一时间段内摄像头只能分配给其中一个进程
同时共享方式：使用QQ发送文件A，同时使用微信发送文件B。宏观上看，两边都在同时读取并发生文件，说明两个进程都在访问硬盘资源，从中读取数据。微观上看，两个进程是交替着访问硬盘的。
并发性指计算机系统中同时存在着多个运行着的程序
共享性说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

虚拟

把一个物理上的实体变成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。

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，而是走走停停，以不可预知的速度向前推进，这就是进程的异步性。

操作系统的发展与分类

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，并由监督程序负责控制作业的输入、输出
主要优点：缓解了一定程度的人机速度矛盾，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，只有该程序运行结束之后才能调入下一道程序。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

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，系统吞吐量增大。
主要缺点：用户响应时间长，没有人机交互功能（用户提交自己的作业之后就只能等待计算机处理完成，中间不能控制自己的作业执行。无法调试程序/无法在程序运行过程中输入一些参数）
分时操作系统

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。
主要缺点：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。
实时操作系统
主要优点：能够优先响应一些紧急任务，某些紧急任务不需时间片排队
在实时操作系统的控制下，计算机系统接收到外部信号后及时进行处理，并且要在严格的时限内处理完事件。实时操作系统的主要特点是及时性和可靠性。

操作系统的运行机制

“指令”就是处理器（CPU）能识别、执行的最基本命令。
应用程序只能使用“非特权指令”如：加法指令、减法指令等
操作系统内核作为“管理者”，有时会让CPU执行一些“特权指令”，如：内存清零指令。这些指令影响重大，只允许“管理者”–即操作系统内核来使用
程序运行的过程其实就是CPU执行一条一条的机器指令的过程
在CPU设计和生产的时候就划分了特权指令和非特权指令，因此CPU执行一条指令前就能判断出其类型。
CPU有两种状态，“内核态”和“程序态”
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
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
扩展：CPU中有一个寄存器叫程序状态字寄存器（PSW），其中有个二进制位，1表示“内核态”，0表示“用户态”
别名：内核态=核心态=管态；用户态=目态
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

中断与异常

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，一种说应用程序
在合适的情况下，操作系统内核会把CPU的使用权主动让给应用程序
“中断”是让操作系统内核夺回CPU使用权的唯一途径
中断的类型
内中断（异常）：与当前执行的指令有关，中断信号来源于CPU内部
外中断：与当前执行的指令无关，中断信号来源于CPU外部
内中断实例：
有时候应用程序想请求操作系统内核的服务，此时会执行一条特殊的指令–陷入指令，该指令会引发一个内部中断信号
（执行“陷入指令”，意味着应用程序主动地将CPU控制权还给操作系统内核。“系统调用”就是通过陷入指令完成的）
外中断实例：
时钟部件：时钟部件每隔一段时间片会给CPU发送一个时钟中断信号
I/O设备完成输入输出任务时，向CPU发送中断信号
内中断（异常）分为：
陷阱、陷入（trap）：由陷入指令引发，是应用程序故意引发的
故障（fault）：由错误条件引发的，可能被内核程序修复。内核程序修复故障后会把CPU使用权还给应用程序，让它继续执行下去
终止（abort）：由致命错误引发，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，而说直接终止该应用程序
中断机制的基本原理
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”，以此来找到相应的中断处理程序在内存中的存放位置。

系统调用

“系统调用”是操作系统提供给应用程序（程序员/编程人员）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。
系统调用与库函数的区别

应用程序通过系统调用请求操作系统的服务。二系统中的各种共享资源都由操作系统内核统一掌管，因此凡是与共享资源有关的操作（如存储分配、I/O操作、文件管理等），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，由操作系统内核代为完成。这样可以保证系统的稳定性和安全性，防止用户进行非法操作。
系统调用的过程

传递系统调用参数->执行陷入指令（用户态）->执行相应的内请求核程序处理系统调用（核心态）->返回应用程序
注意：

陷入指令说在用户态执行的，执行陷入指令之后立即引发一个内中断，使CPU进入核心态
发出系统调用请求说在用户态，而对系统调用的相应处理在核心态下进行

操作系统的体系结构

操作系统的内核
内核说操作系统最基本、最核心的部分
实现操作系统内核功能的那些程序就是内核程序

注意：
操作系统内核需要运行在内核态
操作系统的非内核功能运行在用户态

分层结构
最底层是硬件，最高层是用户接口
每层可调用更低一层

模块化
模块化是将操作系统按功能划分为若干个具有一定独立性的模块。每个模块具有某方面的管理功能，并规定好各模块间的接口进行通信。还可以进一步将各模块细分为若干个具有一定功能的子模块，同样也规定好各子模块之间的接口。把这种设计方法称为模块-接口法。

操作系统引导

操作系统引导：
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 将硬盘的第一块–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 从根目录下找到安装的操作系统初始化程序（即启动管理器）并执行，完成“开机”的一系列动作