操作系统的概念
操作系统基本概念
win、Android、ios、macos、linux
操作系统的概念
1、负责管理协调硬件、软件等计算机资源的工作
2、为上层的应用程序、用户提供简单易用的服务
3、操作系统是系统软件，而不是硬件
定义
操作系统是指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,以提供给用户和其他软件方便的接口和环境,它是计算机系统中最基本的系统软件。
操作系统的功能和目标
进程是一个程序的执行过程
执行程序之前需要将程序放到进程当中，才被cpu处理
作为用户和计算机硬件之间的接口
命令接口：允许用户直接使用
程序接口：允许用户通过程序间接使用
gui：图形用户接口
所有提供的功能可以统称为用户接口
命令接口，允许用户直接使用
联机命令接口=交互式命令接口(一步一步的)
脱机命令接口=批处理命令接口（批处理文件，说一堆，做一堆
程序接口：调用目录下对应的dll文件（又叫系统调用，可创建一些功能，只能通过用户程序间接使用
总体的概括
作为最接近硬件的层次
实现对硬件机器的拓展
裸机就是纯硬件，没有任何软件支持的，在裸机上安装的操作系统可以提供资源管理功能和方便用户的服务功能,将裸机改造成功能更强、使用更方便的机器
把覆盖了软件的机器叫扩充机器、又叫虚拟机
总结
操作系统的特征
并发
两个或两个以上的事件同一时间间隔内发生
宏观上同时发生
微观上交替发生
并行：两个或多个事件同一时刻内同时发生
操作系统并发是指计算机系统同时存在着多个运行着的程序
共享
系统内的资源可供内存中的多个并发执行的进程共同使用
两种共享方式：
互斥共享 提供给多个进程使用，但一个时间段内只允许一个进程访问该资源
同时共享 允许一个时间段内由多个“进程”（宏观上同时、微观上可能是交替的对资源进行访问）同时对他们进行访问
并发和共享的关系
互为存在条件的
虚拟
指把一个物理上的实体变为若干个逻辑上的对应物。物理实体是实际存在的、逻辑上的对应物是用户感受到的
微观上处理机在各个微小的时间段内交替的为各个进程服务
虚拟技术：
空分复用技术（虚拟存储器技术
时分复用技术（虚拟处理器
如果无并发性、则一个时间段内系统中只能运行一道程序，就失去了虚拟性的意义
无并发，谈不上虚拟
异步
在多道程序环境下，允许多个程序并发执行，但资源有限，进程的执行不是一贯到底的，而是走停不断的，以不可预知的速度向前推进
失去并发性、只能串行的处理各个进程，每个进程的执行会一贯到底
只有并发、才可能有异步
发展和分类
手工操作阶段
缺点：
用户独占全机、人机速度矛盾导致资源利用率极低
批处理阶段
单道批处理系统
引用脱机输入/输出技术（用磁带完成），并监督程序负责控制作业的输入、输出
优点：资源利用率有所提升
缺点：内存中只能有一道程序运行，只有该程序运行完才能进入下一道程序，cpu有大量的时间在空闲等待I/O完成。资源利用率低
多道批处理系统
优点：多道程序并发执行、共享计算机资源。资源利用率提高，cpu和其他资源保持忙碌的状态、系统吞吐量增大
缺点：没有人机交互，用户时间响应时间长
分时操作系统
计算机以时间片为单位，轮流为各个用户、作业服务，各个用户可通过终端与计算机进行交互
优点：
用户响应请求可被及时响应、解决了人机交互的问题
允许多用户同时使用一台计算机，并且对计算机的操作相互独立，感觉不到他人的存在
缺点：
不能有限处理一些紧急任务
循环用户，不区分任务的紧急性
实时操作系统
主要优点：
能够响应一些紧急任务、某些进阶任务不需要时间排队
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处理、在严格的时间限制内处理完成事件
主要特点：及时性、可靠性
网络操作系统
能把各个计算机有机的结合起来，实现数据传送等功能，实现网络中各个资源的共享（文件贡献）和各台计算机之间的通信（win net典型的网络操作系统、网站服务器就可以使用
分布式操作系统
分布性和并行性
系统中各台计算机地位相同，任何工作都可以分布在这些计算机上，由他们并行、协同完成这个任务
个人计算机操作系统
win xp
macos
OS的运行机制和体系结构
指令
什么是指令？
例如C语言代码翻译成机器语言指令的二进制让计算机识别从而运行
就是处理器能识别、执行的最基本命令
特权指令：不允许用户程序使用
非特权指令：例如普通的运算指令
cpu怎样判断是否执行特权指令？
用户态此时cpu只能执行非特权指令
核心态非特权、特权都可执行
程序状态寄存器(PSW)中的某标志位来标识当前处理器处于什么状态
内核程序
系统的管理者，既可以执行特权指令，也可以执行非特权指令，运行在核心态
应用程序
为了确保系统正常能安全的运行，普通应用程序只能执行非特权指令，运行在用户态
操作系统内核
原子性：要么执行，不可被中断、要么不执行
内核时计算机配置上的底层软件，时是操作系统最基本、最核心的部分
实现操作系统内核功能的那些程序就是内核程序
上图与硬件紧密的模块
可能属于内核，对不同的操作系统，对内核功能的划分可能不一样
操作系统的体系结构：大内核、微内核
操作系统的体系结构
知识点：
特权指令只能在核心态下执行
内核程序只能在核心态下执行
中断和异常
中断的概念和总用
当中断发生时，cpu会立即进入核心态
当中断发生后，当前运行的进程暂停运行，并由操作系统的内核对中断进行处理
对不同的中断信号，会进行不同的处理
发生中断，意味着要操作系统介入，开展管理工作。由于操作系统的管理工作（e：进程切换、分配I/O设备等）需要使用特权指令，因此cpu要从用户态转换为核心态。中断可以使cpu从用户态切换为核心态，使操作系统获得计算机的控制权。有中断，才能实现多道程序并发执行
用户态到核心态切换怎样实现的
用户态到核心态 是通过中断实现的，并且中断是唯一途径
核心态到用户态 通过执行一个特权指令，将程序状态字（PSW）的标志位设置为”用户态“
中断的分类
信号来源判断是内还是外中断
另一种分类
外中断的处理过程
执行每个指令后，cpu都会检查是否当前有外部中断信号
如果检测到外部中断信号，则需要保护被中断进程的cpu环境
根据中断信号类型转入相应的中断处理程序
恢复本来的cpu环境并退出中断，返回原进程继续往下执行
系统调用
什么是系统调用
应用程序通过系统调用请求操作系统的服务。系统中的各种共享资源都由操作系统统一掌管，因此在用户程序中，凡是与资源有关的操作（存储分配、i/o操作、文件管理等）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。这样可以保证系统的稳定性和安全性，防止用户进行非法操作
作用
操作系统提供给应用程序使用的接口
应用程序通过系统调用来请求获得操作系统的服务
系统调用会使处理器从用户态进入核心态
哪些操作需要系统调用完成？
凡是与资源有关的操作、会直接影响到其他进程的操作，一定需要操作系统接入，即需要通过操作系统调用来实现
一些系统调用的相关处理需要在核心态下进行
系统调用和库函数的区别
反过来就是
应用程序通过编程语言进行对库函数的调用，从而更方便的对操作系统调用
系统调用的过程
高级语言通过编译成汇编语言
传递系统调用参数---执行陷入指令（用户态）---执行系统调用相应服务程序（核心态）---返回用户程序
陷入指令在用户态执行的，但执行过后立即引发一个内中断，使cpu进入核心态
发出系统调用请求实在用户态，而对系统调用的相应处理在核心态下进行
陷入指令的作用是唯一一个只能用户态下执行，而不可在核心态执行的指令
