# Ch1

计算机系统自下而上可以大致分为硬件、操作系统、应用程序、用户
OS 管理各种硬件，为应用程序提供基础，充当计算机硬件与用户之间的中介，是计算机系统中最基本的系统软件

# 基本概念

# 操作系统的功能

1. 管理计算机系统资源
   处理机管理（进程 / 线程管理）、存储器管理、设备管理、文件管理，向用户提供接口
2. 作为用户与硬件系统之间的接口

• 命令接口（联机控制方式和脱机控制方式）
  • 联机命令接口也称为交互式命令接口，由一组键盘操作命令组成
  • 脱机命令接口也称批处理命令接口，由一组作业控制命令组成
• 程序接口
  • 由一组系统调用组成

3. 实现了对计算机资源的补充
   虚拟机

# 操作系统的特征

最基本的两个：并发与共享

1. 并发
   多道程序交替运行（和并行不一样）
2. 共享

• 互斥共享
• 同时访问

3. 虚拟
4. 异步

# 发展历程

# 手工操作阶段（无操作系统）

# 批处理阶段

1. 单道批处理
   单道程序

• 自动性：一批作业自动地逐个运行
• 顺序性：顺序进入内存、顺序运行
• 单道性：内存中仅有一道程序运行，一道程序运行完才换入下一道

2. 多道批处理
   多道，宏观上并行，微观上串行

• 多道：内存中同时存放多道相互独立的程序
• 宏观上并行
• 微观上串行：轮流占有 CPU，交替执行
  缺点：用户响应时间长，不提供人机交互能力，用户既不能了解自己的程序的运行情况，又不能控制计算机

# 分时操作系统

分时技术指将运行时间分成时间片，轮流分配处理器
分时操作系统指多个用户通过终端同时共享一台主机，将 CPU 时间划分为很短的时间片，并以轮转的方式将这些时间片分配给各个用户或任务，从而实现多用户共享计算机资源
特征：

• 同时性：也称多路性，多个用户可以同时使用
• 交互性：用户可以与计算机进行交互（区别于批处理系统）
• 独立性：用户可以独立运行，互不干扰
• 及时性：用户请求可以在很短时间内获得响应
  缺点：
• 上下文切换带来系统开销。
• 若用户过多，响应时间可能变长。
• 系统复杂度高，需要良好的内存管理和调度算法

# 实时操作系统

分为硬实时系统（必须在绝对截止时间前完成，否则会导致灾难性后果）和软实时系统（希望在时限内完成，偶尔超时可容忍，影响用户体验但不致命）
主要特点： 及时性和可靠性

# 网络操作系统和分布式计算机系统

网络操作系统是指在独立计算机上运行的操作系统，它通过网络连接其他计算机，实现资源共享（如文件、打印机等），但每台计算机仍保持独立控制（常见的客户端 / 服务器模式）
分布式系统是由多台独立计算机通过网络互联，协同工作，对外表现为一个单一、统一的系统。用户感觉不到多台机器的存在。系统中任意两台计算机通过通信方式交换信息；每台计算机都具有同等的地位，没有主机从机；每台计算机上的资源为所有用户共享；系统中的任意台计算机可以构成一个子系统，还能重构；人和网工作都可以分布在机台计算机上。主要特点：分布性和并行性

# 个人计算机操作系统

# 操作系统的运行环境

# 处理器运行模式

在计算机系统中，CPU 执行两种程序：内核程序和用户自编程序

特权指令：不允许用户直接使用的指令，不如 I/O 指令、关中断指令、内存清零指令、修改 PSW 等
非特权指令：允许用户直接使用的指令

在具体实现上，将 CPU 的运行模式划分为用户态和内核态
大多数操作系统的内核包括：

1. 时钟管理
2. 中断机制
3. 原语
   操作系统内核中执行的一个不可分割的、原子性的基本操作。它是一段用机器指令编写的程序，在执行过程中不能被中断，必须一次性执行完毕，具有原子性、不可中断性、运行在内核态
   定义原语的直接方法是关中断
   常见的有 P 操作（wait 操作）和 V 操作（signal 操作）、创建进程原语、撤销进程原语、消息发送原语、消息接收原语、资源申请和释放原语
4. 系统控制的数据结构及处理
   比如