一.概述
操作系统的概念 --图：
- 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（中间往两边看）
- 提供给用户和其他软件方便的接口和环境。（从下往上）
- 是计算机系统中最基本的系统软件。（从上往下）
操作系统的功能--作为系统资源的管理者
1. 进程管理
进程控制、进程同步、进程通信、死锁处理、处理机调度等。
2. 内存管理
内存分配、地址映射、内存保护与共享、虚拟内存等。
3. 文件管理
文件存储空间的管理、目录管理、文件读写管理和保护等。
4. 设备管理
完成用户的 I/O 请求，方便用户使用各种设备，并提高设备的利用率。
主要包括缓冲管理、设备分配、设备处理、虛拟设备等
操作系统的功能--作为用户和计算机硬件之间的接口
1.命令接口（用户直接使用）：
- 联机命令接口（指令）：用户说一句，系统做一句
- 脱机命令接口（批处理命令）：用户说一堆，系统做一堆
2.程序接口（用户通过程序间接使用）
由一组系统调用命令组成（程序接口=系统调用=广义指令)
用户通过在程序中使用这些系统调用命令来请求操作系统为其服务
程序接口:如c: \Windows\System32\user32. dll程序员在程序中调用user32. dll (该调用过程即为系统调用)即可实现创建窗口等功能。只能通过用户程序间接使用。
3.GUI：图形用户接口
操作系统的特征 --图
1.并发
并发：两个或多个事件在同一时间段发生。宏观看同时发生，微观看是交替发生
并行：两个或多个事件在同一时刻同时发生
并行需要硬件支持，如多流水线、多核处理器或者分布式计算系统。
操作系统通过引入进程和线程，使得程序能够并发运行
2.共享
共享：即资源共享，系统中资源可以被多个并发进程共同使用
二种资源共享方式：
- 互斥共享 系统中的某些资源，虽然可以供给多个进程使用，但一个时间段内只允许一个进程访问资源
- 同时共享 系统中的某些资源，允许一个时间段由多个进程 "同时" 对它们进行访问
所谓：同时，只是宏观上，微观上这些进程可能是交替的对该资源进行访问（分时共享）
实例：
互斥共享：QQ和微信视频，同一时间段内摄像头只能分配给其中一个进程（打印机）
互斥共享的资源称为临界资源，需要用同步机制来实现对临界资源的访问
同时共享：发送文件（同时对硬盘资源共享）
3. 虚拟
虚拟技术把一个物理实体转换为多个逻辑实体。
主要有两种虚拟技术：时分复用技术和空分复用技术。
应用：
虚拟处理器技术：多个进程能在同一个处理器上并发执行使用了时分复用技术，让每个进程轮流占有处理器，每次只执行一小个时间片并快速切换。（为什么单核CPU可以执行多个进程）
虚拟内存技术：虚拟内存使用了空分复用技术，它将物理内存抽象为地址空间，每个进程都有各自的地址空间。地址空间的页被映射到物理内存，地址空间的页并不需要全部在物理内存中，当使用到一个没有在物理内存的页时，执行页面置换算法，将该页置换到内存中。
虚拟和并发的关系：
显然，如果失去了并发性，则一个时间段只执行一个程序，那么就是去了虚拟的意义。因此没有并发，就谈不上虚拟
4. 异步
在多道程序环境下，允许多个程序并发执行，但是由于资源有限，进程不是一次性执行完毕，而是走走停停，以不可知的速度向前推进。这就是异步性
异步和并发关系：
显然，如果失去并发，系统只能串行执行各个进程，每个进程会贯彻到底。只有系统拥有并发，才可能导致异步性
补充：并发和共享的关系
使用QQ发送文件A，同时使用微信发送文件B：
1.两个进程并发执行（并发性）
如果失去并发，系统只有一个程序允许，则共享性失去意义
2.需要共同访问硬盘资源（共享性）
如果失去共性，QQ和微信不能同时访问硬盘资源，也就无法并发
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最基本特征
OS发展和分类 --图
OS运行机制 --图
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，一种是用户程序。前者是后者的管理者，因此 “管理程序” 要执行一些特权命令，而 “被管理者程序” 出于安全考虑不能执行这些指令。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，存取用于内存保护的寄存器，送程序状态字到程序状态字寄存器等指令
二种指令：
- 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
如何判断？ 如果指令严重干扰其他程序的执行，则一定是特权指令
二种处理器状态：
- 用户态（目态）：此时CPU执行非特权指令
- 核心态（管态）：特权非特权都可以执行
用程序状态字寄存器（PSW）中的某个标志位来标识当前寄存器出去什么状态。如0为用户态，1核心态
两种程序：
- 内核程序：系统的管理者，特权和非特权指令都可以执行，运行在核心态
- 应用程序：保证程序正常运行，只能执行非特权指令，运行在用户态
OS的内核
内核是计算机上配置的底层软件，是OS最基本，最核心的部分，使计算机功能的延伸。不同系统对内核的定义稍有区别，大多数操作系统内核包括四个方面的内容。
1.时钟管理
时钟的第一功能是计时，向用户提供标准的系统时间。另外通过时钟中断的管理，实现进程的切换。诸如，在分时操作系统，采用时间片轮转的调度实现；在实时系统中，按截至时间控制运行的实现；在批处理，通过时钟管理来衡量一个作业的运行程度等。因此，系统管理的方方面面无不依赖时钟。
2.中断机制
引入中断技术的初衷是提高多道程序运行环境CPU的利用率。后来逐渐发展，形成多种类型，成为操作系统各项操作的基础。如键盘或鼠标信息输入，进程的管理和调度，系统功能的使用，设备驱动，文件访问等，无不依赖中断机制。考研说操作系统是靠中断驱动的软件
中断机制中，只有一小部分功能属于内核，负责保护和恢复中断现场的信息，转移控制权到相关的处理程序。这样可以减少中断的处理时间，提高系统的并行处理能力。
3.原语
1） 处于操作系统的最底层，是最接近硬件的部分
2）这些程序的运行具有原子性，其操作必须一气呵成
3）运行时间短，调用频繁
通常把具有这些特点的程序称为原语，所以说原语是一种特殊的程序
大内核和微内核
1. 大内核
大内核是将操作系统功能作为一个紧密结合的整体放到内核。
由于各模块共享信息，因此有很高的性能。
2. 微内核
由于操作系统不断复杂，因此将一部分操作系统功能移出内核，从而降低内核的复杂性。移出的部分根据分层的原则划分成若干服务，相互独立。
在微内核结构下，操作系统被划分成小的、定义良好的模块，只有微内核这一个模块运行在内核态，其余模块运行在用户态。
因为需要频繁地在用户态和核心态之间进行切换，所以会有一定的性能损失。
中断分类--图
在操作系统中引入核心态和用户态两种工作状态后，就要考虑到如何切换状态。操作系统内核工作在核心态，而用户程序工作在用户态。但操作系统不允许用户程序实现核心态的功能，但它们又必须使用这些功能。因此引入中断和异常，实现从用户态进入核心态。这是通过硬件实现的（例如，用程序状态字寄存器（PSW）中的某个标志位来标识当前寄存器出去什么状态。如0为用户态，1核心态。若要进入核心态，只需要将位置设为1即可）
1. 外中断
由 CPU 执行指令以外的事件引起，如 I/O 完成中断，表示设备输入/输出处理已经完成，处理器能够发送下一个输入/输出请求。此外还有时钟中断、控制台中断等。
2. 异常
由 CPU 执行指令的内部事件引起，如非法操作码、地址越界、算术溢出等。
3. 陷入
在用户程序中使用系统调用。
系统调用--图
什么是系统调用？
系统调用是OS提供给应用程序（程序员）使用内核功能的接口，可以理解为一种供应用程序调用的特殊函数，应用程序发出系统调用请求来获得OS的服务
什么作用？
操作系统掌管系统中各种共享资源，因此凡是与资源相关的操作（存储分配，I/O操作，文件管理），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。保证系统的稳定和安全性，防止用户非法操作
注意 ：
1.陷入（陷阱）指令时在用户态执行的，执行后引发中断，CPU进入核心态
2.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
3.陷入指令时唯一一个只能在用户态下下执行，而不可在核心态执行的指令
系统调用与库函数的区别：
库函数是高级语言中提供的与系统调用对应的函数（也有些库函数与系统调用无关），目的是隐藏 “访管” 指令的细节，使系统调用更为方便，抽象。但是库函数属于用户程序而非系统调用，是系统调用的上层
如果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，所以它不可能是特权指令
Linux 的系统调用主要有以下这些：
| Task | Commands |
|---|---|
| 进程控制 | fork(); exit(); wait(); |
| 进程通信 | pipe(); shmget(); mmap(); |
| 文件操作 | open(); read(); write(); |
| 设备操作 | ioctl(); read(); write(); |
| 信息维护 | getpid(); alarm(); sleep(); |
| 安全 | chmod(); umask(); chown(); |
题目：
1.下列选项中，操作系统提供给应用程序的接口是( ). [2010年计算机联考真题]
A.系统调用 B.中断 C.库函数 D.原语
2. 操作系统与用户通信接口通常不包括( )。
A. shell B.命令解释器C.广义指令 D.缓存管理指令
3. 计算机开机后，操作系统最终被加载到( ). [2013年计算机联考真题]
A. BIOS B. ROM C. EPROM D. RAM
1. A
操作系统接口主要有命令接口和程序接口（也称系统调用)。库函数是高级语言中提供的与系统调用兼应的函数(也有些库函数与系统调用无关)，目的是隐藏“访管”指令的细节，使系统调用更为方便、抽象。但是,库函数属于用户程序而非系统调用，是系统调用的上层。
2. D
广义指令就是系统调用命令[而命令解释器属于命令接口shell 指命令解析器，也属于命令接口。系统中的缓存全部由操作系统管理，对用户是透明的，操作系统不提供管理系统缓存的系统调用。
3. D
系统开机后，操作系统的程序会被自动加载到内存中的系统区，这段区域是RAM部分未复习到组成原理的读者可能对此题的答案并不是太熟悉，但熟悉了组成原理中的各类存储介质之后，相信选对这道题并不难。
