操作系统的概念（定义）功能和目标
1、操作系统的概念（定义）
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，以提供给用户和其他软件方便的接口和环境（从高层向底层看），它是计算机系统中最基本的系统软件（从底层向高层看）。
操作系统的功能和目标
1、作为系统资源的管理者
补充知识：进程是一个程序的执行过程。执行前需要将该程序放到内存中，才能被CPU处理。
2、作为用户和计算机硬件之间的接口
命令接口：允许用户直接使用
程序接口：允许用户通过程序间接使用
GUI：现代操作系统中最流行的图形用户接口
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 == 系统调用：只能通过用户程序间接使用。
易懵概念：系统调用 = 系统调用指令 = 广义指令
GUI：图形用户界面
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。
3、作为最接近硬件的层次
需要提供的功能和目标：实现对硬件机器的拓展
没有任何软件支持的计算机称为裸机。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称为扩充机器，又称之为虚拟机。
知识回顾与重要考点
操作系统的特征
1、并发
指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。这些事件宏观上是同时发生的，但微观上是交替发生的。
常考易混概念—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存在着多个运行着的程序。
一个单核处理机（CPU）同一时刻只能执行一个程序，因此操作系统会负责协调多个程序交替执行（这些程序微观上是交替执行的，但是宏观上看起来就像是在同时执行）。
事实上，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是一起诞生的。
2、共享
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。
两种资源共享方式
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，允许一个时间段内由多个进程“同时”对他们进行访问
所谓的“同时”往往是宏观上的，而在微观上，这些进程可能是交替地对该资源进行访问（即分时共享）
并发和共享的关系—互为存在条件
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。
如果失去并发性，则系统中只有一个程序正在运行，则共享性失去存在的意义。
如果失去共享性，则并发的程序不能同时访问硬盘资源，就无法实现同时发送文件，也就无法并发。
3、虚拟
虚拟是指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（前者）是实际存在的，而逻辑上对应物（后者）是用户感受到的。
虚拟技术中的“时分复用技术”。微观上处理机在各个微小的时间段内交替着为各个进程服务。如虚拟处理器。
虚拟技术中的“空分复用技术”。如虚拟存储器技术。
显然，如果失去了并发性，则一个时间段内系统中只需运行一道程序，那么就失去了实现虚拟性的意义了。因此，没有并发性，就谈不上虚拟性。
4、异步
异步是指，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，着就是进程的异步性。
显然，如果失去了并发性，则系统只能串行地处理各个进程，每个进程的执行会一贯到底。只有系统拥有并发性，才有可能导致异步性。
知识回顾与重要考点
重要考点：
理解并发和并行的区别。
并发和共享互为存在条件
没有并发和共享，就谈不上虚拟和异步，因此并发和共享是操作系统的两个最基本的特征
操作系统的发展与分类
一、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。
二、批处理阶段—单道批处理系统
引入脱机输入/输出技术（用磁带完成），并监督程序（操作系统的雏形）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。
三、批处理阶段—多道批处理系统
操作系统正式诞生，并引入了中断技术，由操作系统负责管理这些程序的运行。各个程序并发执行。
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）
四、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：用户请求可以被即时相应，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。
五、实时操作系统
主要优点：能够优先响应一些紧急任务，某些紧急任务不需要时间片排队。
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。
实时操作系统可细分为
硬实时系统：必须在绝对严格的规定时间内完成处理，如导弹控制系统，自动驾驶系统。
软实时系统：能接受偶尔违反时间规定，如12306火车订票系统
操作系统的运行机制与体系结构
一、指令
1、一条高级语言的代码翻译过来可能会对应多条指令
简单来说，“指令”就是处理器（CPU）能识别、执行的最基本指令
2、指令的分类
特权指令：如内存清零指令 不允许用户程序使用
非特权指令：如普通的运算指令
分别对应两种处理器状态
用户态（目态） 此时CPU只能执行非特权指令
核心态（管态） 特权指令、非特权指令都可执行
用程序状态寄存器（PSW）中的某标志位来识别当前处理器处于什么状态。如0为用户态，1为核心态
分别对应两种程序
内核程序 操作系统的内核程序是系统的管理者，既可以执行特权指令，也可以执行非特权指令，运行在核心态
应用程序 为了保证系统能安全运行，普通应用程序只能执行非特权指令，运行在用户态
二、操作系统的内核
1、原语是一种特殊的程序。是最接近硬件的部分，这种程序的运行具有原子性。
内核是计算机上配置的底层软件，是操作系统最基本、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。
2、操作系统内核的时钟管理、中断管理和原语是与硬件关联较紧密的模块。
有的操作系统不把对系统资源进行管理的功能归为“内核功能”。也就是说，不同的操作系统，对内核功能的划分可能并不一样。
三、操作系统的体系结构：大内核和微内核
最常考知识点：
1、特权指令只能在核心态下执行
2、内核程序只能在核心态下执行
3、核心态、用户态之间的切换（后续讲解内容）
中断和异常
一、中断的基本概念
1、本质：发生中断就意味着需要操作系统介入，开展管理工作。
2、当中断发生时，CPU立即进入核心态。
3、当中断发生后，当前运行的进程暂停运行，并由操作系统内核对中断进行处理。
4、对于不同的中断信号，会进行不同的处理。
5、发生了中断，就意味着需要操作系统介入，开展管理工作。由于操作系统的管理工作（比如进程切换、分配I/O设备等）需要使用特权指令，因此CPU要从用户态转为核心态。中断可以使CPU从用户态切换为核心态，使操作系统获得计算机的控制权。有了中断，才能实现多道程序并发执行。
6、“用户态->核心态”是通过中断实现的。并且中断是唯一途径。
“核心态->用户态”的切换时通过执行一个特权指令，将程序状态字（PSW）的标志位设置为“用户态”。
二、中断的分类
1、外中断就是狭义的中断
2、内中断和外中断的区别
内中断：信号的来源：CPU内部，与当前执行的指令有关
外中断：信号的来源：CPU外部，与当前执行的指令无关
3、指令中断（系统调用）：如系统调用时使用的访管指令（又叫陷入指令、trap指令）。
4、硬件故障：如缺页
5、软件中断：如整数除零
6、外设请求：如I/O操作完成发出的中断信号
7、人工干预：如用户强行终止一个进程
另一种分类方式
8、陷入（trap）：有意而为之的异常，如系统调用
9、故障（fault）：由错误条件引起的，可能被故障处理程序修复，如缺页
10、终止（abort）：不可恢复的致命错误造成的结果，终止处理程序不能再将控制返回给引发终止的应用程序，如整数除0
11、内中断：信号的来源是CPU内部
12、外中断：信号的来源是CPU外部
三、外中断的处理过程
step1：执行完每个指令之后，CPU都要检查当前是否有外部中断信号
step2：如果检测到外部中断信号，则需要保护被中断进程的CPU环境（如程序状态字PSW，程序计数器PC、各种通用寄存器）
step3：根据中断信号类型转入相应的中断处理程序（核心态）
step4：恢复原进程的CPU环境并退出中断，返回原进程继续往下执行
通过“中断信号来自CPU内部还是外部”判断是内/外中断
系统调用
一、什么是系统调用，有何作用
1、操作系统作为用户和计算机硬件之间的接口，需要向上提供一些简单易用的服务。主要包括命令接口和程序接口。其中，程序接口由一组系统调用组成。
“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，应用程序可以发出系统调用请求来获得操作系统的服务。
2、操作系统为什么要提供“系统调用”功能
操作系统提供“系统调用”功能，用户进程想要使用打印机这种共享资源，只能通过系统调用向操作系统发出请求。操作系统会对各个请求进行协调管理。
3、应用程序通过系统调用请求操作系统的服务。系统中的各种共享资源都由操作系统统一掌管，因此在用户程序中，凡是与资源有关的操作（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提出服务请求，由操作系统代为完成。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。
系统调用相关处理涉及到对系统资源的管理、对进程的控制，这些功能需要执行一些特权指令才能完成，因此系统调用的相关处理需要在核心态下进行。
二、系统调用与库函数的区别
1、不涉及系统调用的库函数：如“取绝对值”的函数；涉及系统调用的库函数：如“创建一个新文件”的函数。
三、系统调用背后的过程
1、高级语言通过编译变成汇编语言
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系统调用->将参数放入寄存器，执行陷入指令
int x指令（trap/陷入/访管指令）
int指令的参数x指明了系统调用号。此处的int不是整数的意思，其实是interrupt的缩写。
2、传递系统调用参数->执行陷入指令（用户态）->执行系统调用相应服务程序（核心态）->返回用户程序
3、注意：陷入指令是在用户态执行的，执行陷入指令之后立即引发一个内中断，从而CPU进入核心态
4、注意：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下进行
5、注意：陷入指令是唯一一个只能在用户态执行，而不可再核心态执行的指令
