一、概述

        1.相关定义

                ①操作系统是系统软件，而不是硬件

                ②负责管理协调软硬件等计算机资源的工作

                ③为上层的应用程序、用户提供接口和环境

                        进程：程序执行过程，执行前需要将该程序放入内存中，接着被CPU处理

        2.提供的接口（对用户/程序）

                命令接口：允许用户直接使用

                        分为：联机命令接口：用户说一句系统做一句（交互式命令）

                                   脱机命令接口：用户说一堆系统做一堆（批处理命令）

                程序接口：允许用户通过程序间接使用

                        动态链接dll文件

                GUI：用户图形接口

                        易混淆：系统调用=系统调用命令=广义指令

        3.资源管理和扩展（对硬件）

                没有任何软件支持的计算机称为“裸机”

                覆盖了软件的机器称为：扩充机器（虚拟机）

二、操作系统的特征

        1.并发

                两个/多个事件在统一时间间隔内发生（宏观是同时发生，微观上是交替发生）

                操作系统和程序并发是同时诞生的。

                易混淆：并行-->多个事件在同一时刻发生

        2.共享

                系统中的资源可以供多个并发执行的程序共同使用

                        分为：互斥共享(仅允许一个) & 同时共享(微观上可能是交替访问)

                并发和共享的关系（互为条件）

                        若失去并发性，则系统共享性将失去意义

                        若失去共享性，则系统并发性将无法实现

        3.虚拟

                将物理上的实体变为（多个）逻辑上的对应物，

                        典型案例：虚拟内存--使用的空分复用技术

                                          虚拟处理器--多线程（时分复用）

                        虚拟性服务于并发性

        4.异步

                多程序并发执行，但是由于资源有限，进程的执行不是一贯到底的（以不可预知的速度向前推进--可能资源被锁定了，需要等待资源释放）

                系统的并发性才可能导致异步性

三、操作系统的发展与分类

        1.手工操作阶段

                使用纸带作为程序载体和输出结果载体

                缺点：用户独占全机，人机速度矛盾-->资源利用率低。

        2.批处理阶段

                单道批处理系统

                        引入脱机输入/输出技术（载体为磁带），由监督程序（操作系统的雏形）负责控制输入、输出

                        需要先使用外围机将纸带转换为磁带，再将磁带输入

                        优点：一定程度上缓解了人机速度矛盾，提升了资源利用率

                        缺点：同一时刻仅单个程序在执行，CPU有大量时间是空闲的，资源利用率依旧底下

                多道批处理系统

                        计算机从磁带中读取多道程序。由终端技术实现这些程序的并发执行。（操作系统正式诞生）

                        优点：程序并发执行，共享计算机资源，极大的提升了资源利用率。

                        缺点：用户响应时间过长，无人机交互功能。

        3.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。在时间片内用户可以与计算机进行交互。

                优点：解决了人机交互问题，允许多个用户同时使用同一台计算机（各用户相互独立）

                缺点：无法优先处理紧急任务

        4.实时操作系统

                优点：可以优先响应紧急任务

                        要求要在严格的时限条件内处理完事件

                        主要特点：及时性、可靠性

                分为： 硬实时系统：绝对严格在规定时间内处理完成

                            软实时系统：偶尔违反时间规定

        5.其他操作系统

                网络操作系统

                分布式操作系统

                个人计算机系统

四、操作系统的运行机制和体系结构

        1.运行机制

                指令：CPU能识别、执行的基本命令

                        高级程序语言需要通过翻译转换为指令（可能一条语言对应多条指令）

                指令分类

                        特权指令：不允许普通用户程序使用

                        非特权指令：普通指令

                处理器状态

                        用户态（目态）：仅可执行非特权指令

                        核心态（管态）：可以执行特权指令和非特权指令 

                         用程序状态寄存器（PSW）中的标志位来确认（0为用户态、1为核心态）

                程序分类

                        内核程序：系统资源的管理者，运行在核心态

                        应用程序：运行在用户态

        2.操作系统内核

                内核是计算机的底层软件，操作系统中最基本、最核心的部分。以内核程序的形式实现

        3.操作系统的体系结构

                大内核

                        将操作系统的主要功能模块全部作为内核，运行在核心态

                        优点：性能高

                        缺点：内核代码庞大，结构复杂，不利于维护

                微内核

                        只保留基本功能在内核

                        优点：内核功能少、结构清晰、方便维护

                        缺点：需要频繁的在核心态和用户态之间切换，性能低

五、中断和异常

        1.中断概念和作用

                当中断发生后，CPU立即进入核心态；当前进程暂停运行，由操作系统内核进行处理；

                中断可以使CPU从用户态切换为核心态，使操作系统拥有计算机控制权。

                        用户态->核心态是实现中断的唯一途径

                        核心态->用户态通过执行一个特殊指令，将程序状态字(psw)标志设置为用户态

        2.中断分类

                区分方式：信号的来源，是否与当前执行的指令有关

                内中断

                        其他分类方式：陷入（有意为之的异常）、故障（由错误条件引起的）、终止（不可恢复的致命错误）；

                        信号来自CPU内部，与当前执行的指令有关

                        自愿中断

                                指令中断：系统调用访问指令

                        强迫中断

                                硬件故障：缺页

                                软件故障：整数÷0

                外中断

                        中断；信号来自CPU外部，与当前执行的指令无关

                                外设请求：I/O发送的中断信号

                                人工干预：用户强制终止一个进程

        3.外中断的处理过程

                ①执行完指令后，CPU会检查当前是否有外部中断信号

                ②如检测到外部中断信号，则需要保护被中断进程的CPU环境

                ③根据中断信号类型转入对应的中断处理程序

                ④恢复原进程的CPU环境并退出中断

六、系统调用

        可以理解为一种供应用程序调用的特殊函数；程序接口由系统调用组成；

        应用程序通过系统调用请求计算机资源，可以保证系统的稳定性和安全性，防止非法操作。

        分类（按功能）

                设备管理：设备的请求/释放/启动

                文件管理：文件的读/写/创建/删除

                进程控制：进程的创建/撤销/阻塞/唤醒

                进程通信：进程之间的消息/信号传递

                内存管理：内存的分配/回收

        系统调用需要一些特权指令来实现，因此其运行在核心态。

        系统调用和库函数

                如果使用高级程序语言，则需要通过库函数来获取系统调用（进行过封装）

        系统调用的过程

                高级语言  --编译-->  汇编语言  --系统调用-->

                高级语言和汇编语言运行在用户态，系统调用运行在核心态

                传递系统调用参数 --> 执行陷入命令（用户态） -->执行系统调用相关服务（核心态）-->返回应用程序

                        陷入指令执行在用户态，执行后会立刻引起一个内中断，从而使CPU进入核心态

                        陷入指令是唯一一个只能在用户态，不能在核心态下执行的指令