目录第一章计算机系统概述线程(第一章思维导图1.1操作系统基本概念操作系统概念操作系统特征操作系统目标和功能1.2操作系统的发展和分类手动操作阶段) 奇处理阶段)操作系统的出现开始)分时操作系统实时操作系统网络操作系统和分布式计算机系统电脑操作系统1.3操作系统的运行环境操作系统的运行机制中断和异常概念系统
第一章计算机系统概述线程：第一章思维导图1.1操作系统基本概念操作系统概念
操作系统(Opreating System，OS )是指控制和管理整个计算机系统的硬件和软件资源，合理组织、调度计算机工作和资源分配，以及用户和其他软件操作系统是计算机系统中最基本的系统软件。
操作系统是特征操作系统的基本特征，系统资源的管理者向上层提供方便易用的服务操作系统，包括同时、共享、虚拟、异步
同时并行
同时是指两个或多个事件以相同的时间间隔发生
注：==同一时间间隔(同时)和同一时间(并行)==的区别：
在多个程序环境中，在某个期间，在宏上多个程序同时执行，在各个时刻实际上只能执行一个程序，所以在微观上这些程序以时分方式交替执行。 操作系统的并发性是分时实现的
并行性是指系统具有同时进行运算和操作的特性，能够同时完成两种以上的工作。 并行性需要相关的硬件支持
共享
共享资源意味着系统中的资源可以同时用于内存中的多个并发进程。
共享有两种资源共享方法。
互斥共享方式
规定在一段时间内只允许一个进程访问资源。 (堆栈、变量、表等)
并发访问方式
允许在一定时间内从多个进程“同时”访问资源。 这里的“同时”通常是宏观的，但在微观上，这些过程可能交替访问其资源，即“时分共享”。
注：互斥共享要求一个资源在一段时间内只能满足一个请求。 (例)打印机) )。
并发访问共享通常需要将一个请求分成几个时间段运行，其效果与连续运行相同
同时使用和共享是操作系统最基本的特征，是两者之间相互存在的条件。
资源共享以程序同时运行为条件，系统必须允许程序同时运行，才存在资源共享问题
如果系统不能有效管理资源共享，就会影响程序的并发，导致无法执行
虚拟
虚拟是指将一个物理实体变成几个逻辑对应物
物理实体(前者)是真实的，即真实存在的； 后者是空虚的，是用户的感觉。 实现虚拟化的技术被称为虚拟化技术。 虚拟存储器技术以通过多个编程技术同时执行多个程序的方法，分时使用一个处理器。 利用多种编程技术将一个物理CPU虚拟化为多个逻辑CPU称为虚拟处理器。
操作系统虚拟化技术是时分复用技术，例如处理器时分共享； 虚拟存储器等空间复用技术
异步
在多个程序环境允许多个程序并发执行的前提下，但由于资源有限，进程交替执行将以不可预测的速度前进。 这就是进程的异步性。 如果失去了并发性，也就是说，如果系统只能串行运行每个程序，则每个程序的运行将始终持续到最后。 只有在系统具有并发性时，才能引起异步性。
操作系统目标和功能操作系统应具备的功能：处理器管理、内存管理、设备管理、文件管理
操作系统作为计算机系统资源的管理员
处理器管理存储器管理文件管理设备管理操作系统用作用户和计算机硬件系统间接口
操作系统提供的接口主要分为两类。
命令接口
命令接口包括联机命令接口和脱机命令接口
联机命令接口
在线命令接口也称为交互命令接口，是适用于分时或实时操作系统的接口。 它由一系列键盘操作命令组成。 用户输入命令，控制台或终端运行，强调交互性
脱机命令接口
脱机命令接口，也称为批处理命令接口，由适用于批处理系统上的一系列作业控制命令组成。 脱机用户不能直接干预工作的执行，应使用相应的工作控制命令编写工作操作说明书。 和作业一起提交到系统
程序接口(系统调用) )
程序接口由**系统调用(也称为广义指令) **集构成。 用户请求在程序中使用这些系统调用，以便为操作系统提供服务。 例如图形用户界面GUI
注：
操作系统不允许用户直接操作各种硬件资源，因此用户程序
通过系统调用的方式来请求内核为其服务，间接地使用各种资源② 库函数是语言或应用程序的一部分，可以运行在用户空间中。而系统调用是操作系统的一部分，是内核为用户提供的程序接口，运行在内核空间中，许多库函数都会使用系统调用来实现功能。未使用系统调用的库函数，其执行效率通常比系统调用高，因为使用系统功能调用时，需要上下文的切换及状态的转换（由用户状态转向核心态）
操作系统用作扩充机器
没有任何软件支持的计算机称为裸机。操作系统所提供的资源管理功能和方便用户的各种服务功能，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或虚拟机
1.2 操作系统的发展与分类 手工操作阶段（此阶段无操作系统）用户在计算机上算题的所有工作都要人工干预
缺点：
资源利用率低CPU利用不充分 批处理阶段（操作系统开始出现）单道批处理系统
系统对作业的处理是成批进行的，但内存中始终保持一道作业
主要特征：
自动性。顺利的情况下，磁带上的一批作业能自动的逐个运行，无须人工干预顺序性。磁带上的各道作业顺序地进入内存，完成顺序与进入内存的顺序完全相同单道性。内存中仅有一道程序运行多道批处理系统
多道程序设计技术允许多个程序同时进入内存并允许它们在CPU中交替地运行，这些程序共享系统中的各种硬件/软件资源
多道程序设计的特点：
多道。计算机内存中同时存放多道相互独立的程序宏观上并行。同时进入系统的多道程序都处于运行过程中微观上串行。内存中的多道程序轮流占有CPU，交替执行多道程序设计的优点：
资源利用率高系统吞吐量大多道程序设计的缺点：
用户响应的时间较长不提供人机交互能力 分时操作系统分时技术，是指把处理器的运行时间分成很短的时间片，按时间片轮流把处理器分配给各联机作业使用。fqdxxm个作业在分配给它的时间片内不能完成其计算，则该作业暂时停止运行，把处理器让给其他作业使用，等待下一轮再继续执行
分时操作系统是指多个用户通过终端同时共享一台主机，这些终端连接在主机上，用户可以同时与主机进行交互操作而互不干扰
分时系统的主要特征：
同时性。也称多路性，指允许多个终端用户同时使用一台计算机交互性。用户能够方便地与系统进行人机对话独立性。系统中多个用户可以彼此独立地进行操作，互不干扰及时性。用户请求能在很短时间内获得响应注：当时间片固定时，用户数越多，每个用户分到的时间片就越少，响应时间就变长
实时操作系统实时操作系统是为了实现在某个时间限制内完成某些紧急任务而不需要时间片排队
硬实时系统：某个动作必须绝对地在规定的时刻（或规定的时间范围）发生。如飞行器的飞行自动控制系统软实时系统：能够接受偶尔违反时间规定且不会引起任何永久性的损害。如飞机订票系统、银行管理系统在实时操作系统的控制下，计算机系统接受到外部信号后及时进行处理，并在严格的时限内处理完接受的事件。实时操作系统的主要特点是：
及时性可靠性 网络操作系统和分布式计算机系统网络操作系统
网络操作系统把计算机网络中的各台计算机有机的结合起来，提供一种统一、经济而有效的使用各台计算机的方法，实现各台计算机之间数据的互相传送
主要特点是
网络中各种资源的共享及各台计算机之间的通信
分布式计算机系统
分布式计算机系统是用于管理分布式计算机系统
主要特点是：
分布性并行性 个人计算机操作系统目前使用最广泛的操作系统
1.3 操作系统的运行环境 操作系统的运行机制计算机系统中，通常CPU执行两种不同性质的程序：一种是**操作系统内核程序；另一种是用户自编程序（即系统外层的应用程序，或简称“应用程序”）。前者是后者的管理者，因此内核程序要执行一些特权指令，而用户自编程序不能执行这些指令。所谓特权指令，是指计算机中不允许用户直接使用的指令**，如I/O指令、置中断指令等。将CPU的状态分为用户态（目态）和核心态（又称管态、内核态）。用户自编程序运行在用户态，操作系统内核程序运行在核心态。当CPU处于核心态时，CPU可以执行特权指令和非特权指令；当CPU处于用户态时，只能执行非特权指令。
内核是计算机上配置的底层软件。
时钟管理
在计算机的各种部件中，时钟是最关键的设备，时钟的第一功能是计时，操作系统需要通过时钟管理，向用户提供标准的系统事件。通过是时钟中断的管理，可以实现进程的切换。
中断机制
引入中断技术的初衷是提高多道程序运行环境中CPU的利用率，而且**主要是针对外部设备。**
原语
按层次结构设计的操作系统，底层必然是一些可被调用的共用小程序，各自完成一些操作。
特点：
处于操作系统的最低层，是最接近硬件的部分这些程序的运行具有原子性，其操作只能一气呵成（不会被打断）这些程序的运行时间都较短，而且调用频繁通常把具有这些特点的程序称为原语。定义原语的直接方法是关闭中断，让其所有动作不可分割的完成后再打开中断
系统控制的数据结构及处理
为了实现有效的管理，系统需要一些基本的操作，常见的操作：
进程管理。进程状态管理、进程调度和分派、创建与撤销进程控制块（PCB）等存储器管理。存储器的空间分配和回收、内存消息保护程序、代码对换程序等设备管理。缓冲区管理、设备分配和回收等 中断和异常的概念中断：使CPU从用户态变为内核态的唯一方式
操作系统中分为核心态和用户态，操作系统内核工作在核心态，而用户程序工作在用户态。当CPU处于核心态时，CPU可以执行特权指令和非特权指令；当CPU处于用户态时，只能执行非特权指令。
中断和异常的定义
中断也称外中断，指来自CPU执行指令以外的事件的发生。这一类中断通常是与当前指令无关的事件，即它们与当前处理机运行的程序无关。
异常也称内中断、例外或陷入（trap），指源自CPU执行指令内部的事件，对异常的处理一般要依赖于当前程序的运行现场，而且异常不能被屏蔽，一旦出现应立即处理
中断处理的过程
不同计算机的中断（指外中断）处理过程：
关中断
CPU响应中断后，保护现场的过程中，CPU不应响应更高级中断源的中断请求
保存断点
为保证只能中断服务程序执行完毕后能正确的返回到原来的程序。必须将原来的程序的断点（程序计数器PC）保存起来
中断服务程序寻址
实质是取出中断服务程序的入口地址送入程序计数器PC
保存现场和屏蔽字
进入中断服务程序后，首先保存现场，指程序状态字寄存器PSWR和某些通用寄存器的内容
开中断
允许响应更高级的中断请求
执行中断服务程序
中断请求的目的
关中断
保证在恢复现场和屏蔽字时不被中断
恢复现场和屏蔽字
将现场和屏蔽字恢复到原来的状态
开中断、中断返回
使中断服务程序返回到原程序的断点处，以便继续执行原程序
1—3步是CPU进入中断周期后，由硬件自动完成（中断隐指令）；4—9步由中断指令服务程序完成
系统调用系统调用，是指用户在程序中调用操作系统所提供的一些子功能，系统调用可视为特殊的公共子程序。系统中的各种共享资源都由操作系统统一保管，因此在用户程序中，凡是与资源有关的操作，都必须通过系统调用方式向操作系统提出服务请求，并由操作系统代为完成。
系统调用按功能分为：
设备管理文件管理进程控制进程通信内存管理显然，系统调用相关功能必定需要使用某些特权指令才能完成，系统调用的处理需要操作系统运行在核心态。因此，用户程序可以执行陷入指令（又称访管指令或trap指令），主动放弃CPU的使用权，并将其主动交给操作系统内核程序，实现CPU状态由用户态转换为核心态，操作系统内核程序对系统调用请求做出相应处理后，又会把CPU的使用权还给用户程序，CPU状态由核心态转换为用户态。为了防止用户程序随意更改或访问重要的系统资源，影响其他进程的运行。
注：程序的运行由用户态转到核心态，会用到访管指令，访管指令是在用户态使用的，不是特权指令
1.4 操作系统的体系结构 大内核和微内核大内核
大内核系统将操作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，从而提高性能的系统服务。
缺点：
由于层次之间的交互关系错综复杂，定义清晰的层次间接口非常困难，复杂的交互关系也使得层次之间的界限极其模糊
微内核
微内核系统将内核中最基本的功能（如进程管理等）保留在内核，将那些不需要再核心态执行的功能移到用户态执行，从而降低了内核的设计复杂性。移出内核的操作系统代码根据分层的原则被划分成若干服务程序，它们的执行相互独立，交互则都借助于微内核进行通信，微内核结构有效地分离了内核与服务、服务与服务，使得它们之间的接口更加清晰，维护的代价大大降低，各部分可以独立地优化和演进，从而保证了操作系统的可靠性
缺点：
因为需要频繁地在核心态和用户态之间进行切换，操作系统的执行开销偏大，降低了系统的效率，且一般来说内核的服务越少越稳定