操作系统概述

1.1操作系统的基本概念

操作系统的四大特征:并发,共享,虚拟,异步,前两个是最基本的特征;

并发是指两个或多个事件在同一时间间隔内发生;

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;

虚拟是指将一个物理上的实体变为若干逻辑上的对应物;

异步是指计算机中的进程因为资源问题,所以不是一下就运行到底的而是走走停停
操作系统提供的接口主要分为两类:一类是命令接口，用户利用这些操作命令来组织和控制作业的执行:另一类是程序接口，编程人员可以使用它们来请求操作系统服务。

命令接口有联机和脱机两种:联机是输入一条命令就要得到结果,就是交互性;脱机是把处理任务直接扔给计算机,用户不干预计算机的运行,坐等结果;

程序接口是由一组系统调用组成,GUI就是通过调用程序接口实现的,但是GUI不是操作系统的一部分,GUI调用的系统调用命令是操作系统的一部分;

1.2操作系统发展历程

单道批处理系统:把一堆作业扔给操作系统,配上监督程序,作业一个一个进行,具有自动性,顺序性,单道性;
多道批处理系统用户所提交的作业都先存放在外存上并排成一个队列，作业调度程序按一定的算法从后备队列中选择若干作业调入内存，它们在管理程序的控制下相互穿插地运行
分时操作系统是指将处理器的运行时间分成很短的时间片，按时间片轮流将处理器分配给各个作业
多个用户终端共享主机,响应时间很短,但是对于需要实时反馈的作业就不够了,需要实时系统
实时系统有硬实时和软实时,前者对于时间要求很严格,后者拖延一会也没事
多道程序技术要求进程间能实现并发，需要实现进程调度以保证CPU的工作效率，而并发性的实现需要中断功能的支持。

1.3操作系统的运行环境

CPU 的运行模式划分为用户态(目态)和核心态(又称管态、内核态)。
特权指令(核心态)，是指不允许用户直接使用的指令，如I/O 指令、关中断指令、内存清零指令,存取用于内存保护的寄存器、送 PSW 到程序状态字寄存器等的指令。
非特权指令(用户态)，是指允许用户直接使用的指令，它不能直接访问系统中的软硬件资源，仅限于访问用户的地址空间，这也是为了防止用户程序对系统造成破坏。
中断和异常:
系统调用的功能:

设备管理。完成设备的请求或释放，以及设备启动等功能。

文件管理。完成文件的读、写、创建及删除等功能。

进程控制。完成进程的创建、撤销、阻塞及唤醒等功能。

进程通信。完成进程之间的消息传递或信号传递等功能。

内存管理。完成内存的分配、回收以及获取作业占用内存区大小和起始地址等功能。
用户程序创建一个新进程，需使用操作系统提供的系统调用接口

用户程序使用系统调用命令，该命令经过编译后形成若干参数和陷入指令
当操作系统完成用户请求的系统调用功能后，应使CPU从内核态转到用户态
在中断发生后，进入中断处理的程序只能属于操作系统程序
计算机通过硬件完成操作系统由用户态到核心态的转换，这是通过中断机制来实现的。发生中断事件时，由硬件中断机制将计算机状态置为核心态。
大多数计算机操作系统的内核包括四个方面的内容，即时钟管理、中断机制、原语和系统控制的数据结构及处理，其中第4部分实际上是系统调用类的指令(广义指令)。

置时钟指令是在核心态运行的,如果该指令允许在用户态执行，那么程序就可以自行更改时间片，会一直霸占CPU。
命令解释程序属于命令接口，能面对用户，在用户态下执行。磁盘调度程序、中断处理程序和进程调度程序都工作在内核态。
“访管”指令仅在用户态下使用，执行“访管”指令将用户态转变为核心态。
系统调用命令工作在核心态，系统调用本身是一条在核心态运行的命令，并不是调用系统的命令，调用系统调用的命令才是用户态的。
也就是说，系统调用的发生是在用户态，系统调用的执行是在核心态
I/O设备的请求、时钟中断是外部中断。

访管指令、缺页异常是内部中断。
系统调用需要保存 PSW 和PC的值，一般过程调用只需保存PC的值。

一般过程调用的被调用程序与调用程序运行在同一个状态，可能是系统态，也可能是用户态
系统调用的被调用过程一定运行在核心态
trap 指令、跳转指令和压栈指令均可以在用户态执行，其中 trap 指令负责由用户态转换为内核态。关中断指令为特权指令，必须在核心态才能执行。注意，在操作系统中，关中断指令是权限非常大的指令，因为中断是现代操作系统正常运行的核心保障之一，能把它关掉，说明执行这条指令的一定是权限非常大的机构(管态)。
外部中断处理过程，PC 值由中断隐指令自动保存，而通用寄存器内容由操作系统保存。块表(TLB)和 Cache 中的内容则由硬件机构保存。
执行系统调用的过程：
1. 传递系统调用参数
2. 执行陷入(trap)指令
3. 执行相应的服务程序
4. 返回用户态
当 CPU 检测到中断信号后，由硬件自动保存被中断程序的断点[程序计数器(PC)和程序状态字寄存器(PSW)]

麻蛋，到底是硬件保存的还是中断隐指令保存的啊，暂定是硬件保存的

之后，硬件找到该中断信号对应的中断向量，中断向量指明中断服务程序入口地址(各中断向量统一存放在中断向量表中，该表由操作系统初始化)。
接下来开始执行中断服务程序，保存中断屏蔽字、保存各通用寄存器的值，并提供与中断信号对应的中断服务
系统调用是由用户进程发起的，请求操作系统的服务。
1. 当内存中的空闲页框不够时，操作系统会将某些页面调出，并将要访问的页面调入，这个过程完全由操作系统完成，不涉及系统调用。
2. 进程调度完全由操作系统完成，无法通过系统调用完成。
3. 创建新进程可以通过系统调用来完成，如Linux 中通过 fork 系统调用来创建子进程。
发生系统调用时，CPU 通过执行软中断指令将CPU的运行状态从用户态切换到内核态，这个过程与中断和异常的响应过程相同,，由硬件负责保存断点和程序状态字,并将 CPU 模式改为内核态。
然后，执行操作系统内核的系统调用入口程序，该内核程序负责保存通用寄存器的内容，再调用执行特定的系统调用服务例程。
综上，前俩由硬件完成，后俩由操作系统完成。

1.4操作系统的结构，引导和虚拟机

结构：
1. 分层法：把操作系统分层，从底层（硬件）一层层向上扩充，每层只能调用紧邻它的低层的功能和服务(单向依赖)。
  - 优势：容易调试检查错误，一层一层向上检查，很容易确定具体哪一层出错；
    容易扩充和维护，跟砌墙一样，想实现更高的功能只需要一层层叠加就🆗了
  - 劣势：合理定义各层比较困难，各层之间挨得太近，暧昧不分；
    效率很差，要完成某个功能要从底层开始穿越
2. 模块化：把操作系统按照不同的功能分为不同的模块
  - 优势：①提高了操作系统设计的正确性、可理解性和可维护性;②增强了操作系统的可适应性;③加速了操作系统的开发过程。
  - 劣势：接口很难设计，你不知道它都有啥需求；
    模块也很难设计，各个模块要齐头并进，顺序很难把握；
3. 微内核是保留最基础的内核功能，把多余的功能都剥离出去。
  - 优势：
    1. 扩展性和灵活性。
    2. 可靠性和安全性。
    3. 可移植性
    4. 分布式计算。
  - 劣势：有点性能问题，因为需要频繁地在用户态和内核态之间切换
4. 宏内核：把所有功能都聚合到一起，效率很高，共享信息很快，但是操作系统越做越大，这种结构就很臃肿
模块化操作系统的各功能模块都在内核中，且模块之间相互调用、相互依赖，任何一个模块出错，都可能导致整个内核崩溃。
在微内核操作系统中，内核外的某个功能模块出错不会导致整个系统崩溃，可靠性高。
操作系统的启动过程：
Windows 是融合了宏内核和微内核的操作系统
在拥有外核的操作系统中，外核只负责硬件资源的分配、回收、保护等，进程管理相关的工作仍然由内核负责。
引导程序有两种，一种是位于BIOS中的用于引导开启各个设备，一种是位于硬盘中的用于引导操作系统
第一类虚拟机管理程序直接运行在物理硬件之上，具有高性能和高安全性；第二类虚拟机管理程序运行在现有操作系统之上，安装和使用相对简单。详细
BIOS 将控制权交给排在首位的启动设备后，CPU 将该设备主引导扇区的内容[主引导记录(MBR)]加载到内存中，然后由 MBR 检查分区表，查找活动分区，并将该分区的引导扇区的内容[分区引导记录(PBR)]加载到内存加以执行。
访管指令与访管中断：