操作系统--总体概述

1.操作系统是什么？

　　OS是用户、用户程序与底层硬件的媒介；属于是一种特殊软件

　　主要目标：就是为用户提供一个方便的安全的操作环境(提供对底层硬件的抽象)；为用户提供所有可能的服务，确保用户程序的正常运行以及错误处理。

                        注意：实现这些目标操作系统需要底层硬件提供支持。

       OS具体的功能：管理计算机资源(硬件、软件、抽象的资源)，负责资源分配管理

　　　　　　　　　  为用户提供各种复杂的、危险的服务，确保程序的正常执行以及处理各种异常状况。

2.操作系统的优点

　　去除了底层硬件对应用程序的控制；使得应用程序的编写更加简单

　　实现共享，公平和安全，实现更好的整体绩效

　　提出抽象模型：进程、线程模型

3.操作系统的发展历史

　　3.1 串行处理：手动加载的应用程序；程序员直接在硬件上面操作，并不存在所谓的操作系统。

　　3.2 简单批处理系统：

　　存在一个监护程序--功能类似于现代的操作系统，操作员将作业成批输入磁盘，

　　之后由监护程序负责该作业的内存分配，接着该作业被执行。CPU执行权在监护程序和作业之间切换。

　　此时为了更好的管理作业的执行：OS提供了--内存保护，定时器，中断，支持特权指令等功能。

　　3.3 多道批处理程序：为了提高CPU利用率，想到在内存中同时加载多个作业，CPU在多个作业之间进行

　　切换执行。为了支持多道程序，OS提供了内存管理、IO中断、DMA等功能。

 　　

　　3.4 分时系统：分时系统的提出主要是为了交互性；将CPU的时间划分成若干个片段，称为时间片。操作系统以时间片为单位，轮流为每个用户服务。

4.计算机结构

　　计算机在某种意义上是通信系统。数据在CPU，主存，各种外部设备之间传输。

                                        

5.操作系统如何工作以及基本的硬件支持

　　OS工作总结：操作系统的工作其实可以说是围绕着进程开展的，随着进程的执行，进程存储在内存中--产生出内存管理，进程与外部设备进行信息交互

　　产生出IO操作，内存存储是暂时性的，需要将必要的数据持久化存储--产生出持久化存储(文件系统和IO设备管理等)；多个进程之间执行等

　　产生了进程执行管理，维护进程的正常执行--产生异常处理。

　　5.1 中断机制：通常是外部发生某些事情后，事件源发出中断请求信号给CPU，CPU响应这些事件并处理。

　　5.2  中断基本分类

　　　　程序中断：程序执行过程中产生的严重的错误情况，自身无法处理，需要借助操作系统的中断服务程序处理。eg：除0操作。

　　　　时钟中断：由处理器内部的计时器产生，允许操作系统以一定的规律进行某些操作。eg：时间片进程调度。

　　　　IO中断：由IO控制器产生，用来进行数据传输。

　　　　硬件失效中断：硬件运行过程中产生的异常。

　　　　注意：中断最初的提出是为了提高CPU的利用率；但同时也满足CPU能够对于外界的需求给予相应的处理。

　　5.2 CPU的执行模式

　　　　用户态：用户程序运行的模式，是有限制的运行，不允许执行有危险的指令。用户程序可以通过系统调用使用系统提供的服务。

　　　　内核态：操作系统内核运行的模式，可以执行任何指令，这样直接对硬件进行操作。

　　通过Mode bit--模式位来区分是用户态还是内核态：通常中断、trap、系统调用都可以导致用户态到内核态的切换。

　　进程运行在用户态，对于一些复杂、危险的、涉及底层资源的操作可以通过系统调用、中断进入操作系统内核态，由OS进行相应的处理。

　　区分用户态和内核态主要是为了系统的安全，稳定性考虑，同时也保证了程序的编写简单，正确执行等。

　　5.3 DMA--直接存取方式：使得主存与外设之间IO数据传输过程可以直接进行，不需要CPU的介入，CPU只需在开始和结束的时候进行部分的处理。

6.操作系统的扩展性

　　6.1. 硬件的发展对操作系统的发展会有很大的影响，可能由于硬件的发展，某些原来用软件实现的OS服务，可以直接使用硬件完成。

　　6.2 用户提出新的服务，操作系统需要实现这个服务。

　　6.3 操作系统在设计时候可能存在错误，需要对错误进行修正。

7.应用程序的并发设计

　　OS提供了并发执行的机制，用户程序如何高效的使用这个机制？大多数的程序可以划分为多个可并发执行的子任务，

子任务通常以进程或线程的形式实现，开发人员需要对程序的任务进行合理的划分，决定哪些子任务是异步执行，那些

子任务是同步执行的，只有这样才能实现一个比较好的并发程序。

8.计算机通电后加载操作系统过程