操作系統概述
一、操作系統 概念
操作系統 是指控制和管理整個計算機系統的硬件與軟件資源操作系統提供的用戶接口分為，合理地組織、調度計算機的工作與資源的分配操作系統提供的用戶接口分為，進而為用戶和其他軟件提供方便接口與環境的程序集合。操作系統是計算機系統中最基本的系統軟件。
特征
共享 并發 虛擬 異步
功能
1、操作系統作為計算機系統資源的管理者
處理機管理 存儲器管理 文件管理 設備管理
2、操作系統作為用戶與計算機硬件系統之間的接口
命令接口
使用命令接口進行作業控制的主要方式有兩種，即聯機控制方式和脫機控制方式。按作業控制方式的不同，可將命令接口分為聯機命令接口和脫機命令接口。
程序接口
可以在程序中進行系統調用來使用程序接口。普通用戶不能直接使用程序接口，只能通過程序代碼間接使用。
3、操作系統實現了對計算機資源的擴充
操作系統是對計算機資源進行管理的軟件。
操作系統主要向用戶提供命令接口和程序接口（系統調用），此外還提供圖形接口；當然， 圖形接口其實是調用了系統調用而實現的功能。
操作系統不允許用戶直接操作各種硬件資源，因此用戶程序只能通過系統調用的方式來請求內核為其服務，間接地使用各種資源
廣義指令就是系統調用命令，而命令解釋器屬于命令接口，shell是命令解析器，它也屬于命令接口。系統中的緩存全部由操作系統管理，對用戶是透明的，操作系統不提供管理系統緩存的系統調用。
引入多道程序設計后，程序的執行就失去了封閉性和順序性。程序執行因為共享資源及相互協同的原因產生了競爭，相互制約。考慮到競爭的公平性，程序的執行是斷續的。順序性是單道程序設計的基本特征。
在單處理機中 進程與線程不可以并行
庫函數是語言或應用程序的一部分，可以運行在用戶空間中。而系統調用是操作系統的一部分，是內核為用戶提供的程序接口，運行在內核空間中，而且許多庫函數都會使用系統調用來實現功能。未使用系統調用的庫函數，其執行效率通常要比系統調用的高。因為使用系統調用時， 需要上下文的切換及狀態的轉換（由用戶態轉向核心態）。
二、發展與分類
脫機技術用于解決獨占設備問題。虛擬技術與交換技術以多道程序設計技術為前提。多道程序設計技術由于同時在主存中運行多個程序，在一個程序等待時，可以去執行其他程序，因此提高了系統資源的利用率.
批處理系統中，作業執行時用戶無法干預其運行，只能通過事先編制作業控制說明書來間接干預，缺少交互能力，也因此才有了分時操作系統的岀現。
操作系統的基本類型主要有批處理操作系統、分時操作系統和實時操作系統
實時系統要求能實時處理外部事件，即在規定的時間內完成對外部事件的處理
要求快速響應用戶是導致分時系統出現的重要原因。
分時系統中，當時間片固定時，用戶數越多，每個用戶分到的時間片就越少，響應時間自然就變長，
注意，分時系統的響應時間t的比例關系可表達為t=QN,其中Q是時間片，而N是用戶數。
中斷技術使得多道批處理系統的I/O設備可與CPU并行工作.
現代操作系統都是多任務的（主要特點是并發和并行），并不一定需要運行在多CPU的硬件上，單個CPU也可滿足要求
中斷是操作系統必須提供的功能，因為計算機的各種錯誤都需要中斷處理，核心態與用戶態切換也需要中斷處理
三、體系結構
用分層式設計的操作系統結構清晰且便于調試。
大內核的缺點 占用內存大 缺乏可擴展性 不方便移植 可靠性太低
微內核OS：①內核足夠小 2 基于客戶/服務器模式 （c/s）；③應用“機制與策略分離”原理；④采用面向對象技術
微內核中 文件管理 設備管理不宜放在內核中 而 進程通信 中斷 原語 低級i/o等核心放在內核中
微內核結構的特點 使系統更可靠 添加系統服務 不必修改內核
window xp操作系統 采用的 宏內核操作系統
層次化架構 每一層都僅僅使用其底層提供的功能和服務 使系統的調試 驗證變得很容易
運行機制
中斷和異常
系統調用
中斷處理流程的前三個步驟是由硬件直接實現（隱指令）的。
地址映射中需要基地址（或頁表）寄存器和地址加法器的支持。
在時鐘管理中，需要硬件計數器保持時鐘的運行。
進程調度由調度算法決定CPU使用權，由操作系統實現，不需要硬件的支持。
當中斷或異常發生時，通過硬件實現將運行在用戶態的CPU立即轉入核心態。中斷發生時若被中斷的是用戶程序，
則系統將從目態轉入管態，在管態下進行中斷的處理；若被中斷的是低級中斷，則仍然保持在管態，
而用戶程序只能在目態下運行，因此進入中斷處理的程序只能是操作系統程序。
中斷程序本身可能是用戶程序，但是進入中斷的處理程序一定是操作系統程序。
從核心態到用戶態的轉換是由操作系統程序完成的
而從用戶態到核心態則是由硬件完成的。
大多數計算機操作系統的內核包括四個方面的內容，即時鐘管理、中斷機制、原語和系統控制的數據結構及處理，其中第4部分實際上是系統調用類的指令（廣義指令/系統調用）。
從另外的角度考慮，若在用戶態下允許執行“置時鐘指令”，則一個用戶進程可在時間片還未到之前把時鐘改回去，從而導致時間片永遠不會用完，進而導致該用戶進程一直占用CPU,這顯然是不合理的。
廣義指令的調用可能發生在用戶態，調用廣義指令的那條指令不一定是特權指令，但廣義指令存在于核心態中，所以執行一定在核心態。輸入/輸出指令涉及中斷操作，而中斷處理是由系統內核負責的，工作在核心態。
訪管指令在用戶態下使用，是用戶程序“自愿進管”的手段，用戶態下不能執行特權指令。 在核心態下，CPU可以執行指令系統中的任何指令。
外部中斷處理過程，PC值(斷點)由中斷隱指令自動保存，而通用寄存器內容由操作系統保存。
執行系統調用的過程如下：正在運行的進程先傳遞系統調用參數，然后由陷入（trap）指令，負責將用戶態轉換為內核態，并將返回地址壓入堆棧以備后用，接下來CPU執行相應的內核態服務程序，最后返回用戶態
當CPU檢測到中斷信號后，由硬件自動保存被中斷程序的斷點（即程序計數器PC）, I錯誤。 之后，硬件找到該中斷信號對應的中斷向量，中斷向量指明中斷服務程序入口地址（各中斷向量統一存放在中斷向量表中，該表由操作系統初始化，III正確）。接下來開始執行中斷服務程序， 保存PSW、保存中斷屏蔽字、保存各通用寄存器的值，并提供與中斷信號對應的中斷服務，中斷 服務程序屬于操作系統內核
操作系統不同，底層邏輯、實現方式均不相同，為應用程序提供的系統調用接口也不同