第一章-----操作系统简介
前言
小编是目前是大一，清楚无论是就业还是考研四大件的基础都尤为重要，所以除数据结构以外，其余三个理论性较强的我都会对知识点进行总结归纳做好笔记，并发布到csdn上和大家一起分享，如果觉得总结的还可以，也不妨点赞支持鼓励一下。小编四大件学习的顺序是：数据结构-->操纵系统-->计算机网络-->计算机组成原理，所以也会按照这个顺序更新笔记。最后希望自己能够坚持下来。
实迷途其未远，觉今是而昨非
目录
1.概念和功能
a.操作系统是系统资源（软件和硬件）的管理者
补充知识:执行一个程序前需要将该程序放到内存中,才能被CPU处理
b.操作系统向上层（用户和其它软件）提供方便易用的服务
封装思想:操作系统把一些硬件功能封装成简单易用的服务,用户无需关心底层硬件原理，只需要对操作系统发出命令即可
举例:1.GUI图形化用户接口
2.命令接口:
a.联机命令接口(交互式命令接口) 特点：用户说一句,系统跟着做一句
b.脱机命令接口（批处理命令接口）特点：用户说一堆，系统跟着做一堆
3.程序接口:在程序中进行系统调用来使用程序接口(只能通过程序代码间接使用)
c.操作系统是最接近硬件的一层软件
操作系统可以实现对硬件机器的拓展
补充知识:通常把覆盖了软件的机器称为扩充机器,又称之为虚拟机。
总结
2.操作系统的特征
特征：并发,共享,虚拟,异步
1.并发
概念：指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。这些事情在宏观上是同时发生的,但在微观上是交替发生的。
重点:与并行易混淆,并行指两个或多个事件在同一时刻同时发生
重点:单核CPU同一时刻只能执行一个程序,各个程序只能并发地执行
多核CPU同一时刻可以同时执行多个程序,多个程序可以并行地执行
2.共享
概念:即资源共享,是指系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程共同使用
两种共享方式:1.互斥共享方式，2.同时共享方式
注意：所谓"同时"往往是宏观上的,而在微观上这些进程可能是交替地对资源进行访问的
互斥共享举例：打视频,摄像头只能分配给其中一个进程
同时共享举例：发送文件可以同时给多个人发, 多个进程同时访问硬盘资源
并发与共享的关系:
如果失去并发性，则系统只有一个进程执行，则共享性失去存在的意义
如果失去共享性，则不能同时访问硬盘资源，就无法实现同时发送文件，也就无法并发
所以并发性与共享性是互为存在条件
3.虚拟
概念：把一个物理上的实体变为若干个逻辑上的对应物。
举例：1.有时候一些程序同时运行需要的内存已经超过电脑本身配置内存，但仍然可以运行，这是运用了虚拟存储器技术中的空分复用技术
2.单核CPU的电脑能同时运行多个程序，这是运用了虚拟处理器中的时分复用技术
4.异步
概念:在多道程序环境下,允许多个程序并发执行，但由于资源有限，进程的执行不是一贯到底的，而是走走停停，以不可预知的速度向前推进，这就是进程的异步性
注意：如果失去了并发性，即系统只能串行地运行各个程序，那么每个程序的执行会一贯到底。只有系统拥有并发性，才有可能导致异步性。
总结 
3.操作系统的发展与分类
第一个阶段------手工操作阶段
利用纸带机打孔写代码传给计算机进行输入输出
主要缺点:用户独占全机，人机速度矛盾导致资源利用率极低
第二个阶段------批处理阶段
单道批处理系统
引入脱机输入/输出技术（外围机+磁带完成）,并由监督程序负责控制作业的输入，输出
主要缺点：内存中仅能有一道程序运行，CPU有大量的时间是在空闲等待I/O完成。资源利用率依然很低
多道批处理系统
操作系统正式诞生，用于支持多道程序并发执行
主要优点：多道程序并发执行，共享计算机资源。资源利用率大幅提升
主要缺点:没有人机交互功能，无法调试程序，无法在程序运行过程中输入一些参数
第三个阶段------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
主要优点：解决了人机交互问题
主要缺点:不能优先处理一些紧急任务
第四个阶段------实时操作系统
主要优点:能够优先响应一些紧急任务，某些紧急任务不需要时间片排队
总结
4.操作系统的运行机制
预备知识
一条高级语言（如c,c++等)的代码翻译过来可能会对应多条二进制机器指令，程序运行的过程就是CPU执行一条一条的机器指令的过程
“指令”就是处理器（CPU）能识别，执行的最基本命令
注意：cmd窗口又或是“小黑框”中使用的命令是“交互式命令接口”，与上面指令不同，上面的“指令”指二进制机器指令
内核程序和应用程序
普通程序员写的程序就是“应用程序”，例如:QQ，微信
实现操作系统的程序员写的就是”内核程序“，由很多内核程序组成了”操作系统的内核“
重点：内核就是操作系统最重要最核心的部分，也是最接近硬件的部分
特权指令和非特权指令
应用程序只能执行非特权指令
特权指令只允许由内核来使用
在CPU设计和生产的时候就划分了特权指令和非特权指令，因此一条指令前就能判断出其类型
内核态和用户态
CPU有两种状态，内核态和用户态
处于内核态时，说明此时正在运行的是内核程序，此时可以执行特权指令
处于用户态时，说明此时正在运行的是应用程序，此时可以执行非特权指令
怎么区分CPU处于哪种状态呢？
CPU中有一个寄存器叫程序状态寄存器（PSW），其中有个二进制位，1表示内核态，0表示用户态
内核态和用户态的切换
内核态--->用户态：执行一条特权指令-----修改PSW的标志位为用户态，这个操作意味着操作系统主动让出CPU使用权
用户态--->内核态：由中断引发，硬件自动完成变态过程，触发中断信号意味着操作系统将强行夺回CPU使用权
总结
中断和异常
中断的作用
1.中断是让操作系统内核夺回CPU使用权的唯一途径
2.如果没有中断机制，那么一旦应用程序上CPU运行，CPU就会一直运行这个应用程序，因此没有中断就没有并发
中断的类型
内中断（也称异常，例外）：与当前执行的指令有关，中断信号来源于CPU内部
举例：试图在用户态下执行特权指令，除法指令时发现除数为0
总之若当前执行的指令是非法的，则会引发一个中断信号
特例：有时候应用程序想请求操作系统内核的服务，此时会执行一条特殊的指令----陷入指令，该指令会引发一个内部中断信号
注意：陷入指令只是一个特殊的指令并不是特权指令
拓展：系统调用就是通过陷入指令完成的
外中断（也称中断）：与当前执行的指令无关，中断信号来源于CPU外部
举例：时钟中断，时钟部件每隔一个时间片会给CPU发送一个是时钟中断信号
I/O中断---由输入/输出设备发来的中断信号
中断机制的基本原理
不同的中断信号，需要用不同的中断处理程序来处理。当CPU检测到中断信号后，会根据中断信号的类型去查询中断向量表，以此来找到相应的中断处理程序在内存中的存放位置
总结
系统调用
概念和作用
概念： 系统调用是操作系统提供给应用程序使用的接口，可以理解为一种可供应用程序调用的特殊函数。
作用：应用程序可以通过系统调用来请求获得操作系统内核的服务
系统调用与库函数的区别
什么功能要用到系统调用
凡是与共享资源有关的操作（如存储分配，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内核提出服务请求，由操作系统内核代为完成。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
系统调用的过程
传递系统调用参数-->执行陷入指定（用户态）-->执行相应的请求内核程序处理系统调用（核心态）-->返回应用程序
总结
5.操作系统体系结构
内核
内核是操作系统最基本，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
如果把上面两大模块的功能都放在内核当中，这种结构叫做大内核
如果只保留与硬件关联较紧密的模块，这种结构叫做微内核
注意：操作系统内核需要运行在内核态，非内核功能运行在用户态
大内核与微内核的区别
大内核概念：所有的系统功能都放在内核里
微内核概念：只把中断，原语，进程通信等最核心的功能放入内核。进程管理，文件管理，设备管理等功能以用户进程的形式运行在用户态
首先就是二者的结构不同，大内核（又名：宏内核/单内核）所包含功能更多
其次就是二者性能不同，当应用程序想要请求操作系统的服务，这个服务的处理同时涉及到进程管理，存储器管理，设备管理时，微内核结构会比大内核结构进行更多次的变态（CPU状态的转换）
注意：变态过程是有成本的，要消耗不少时间，频繁地变态会降低系统性能
总结
分层结构
概念：内核分多层，每层可单向调用更低一层提供的接口。
最底层是硬件，最高层是用户接口，每层可调用更低一层
模块化
概念：将内核划分为多个模块，各模块之间相互协作。
内核 = 主模块+可加载内核模块
主模块：只负责核心功能，如进程调度，内存管理
可加载内核模块：可以动态加载新模块到内核，而无需重新编译整个内核
外核
概念：内核负责进程调度，进程通信等功能，外核负责为用户进程分配未经抽象的硬件资源，且由外核负责保证资源使用安全
总结
6.操作系统引导
概念：在开机时如何让操作系统运行起来，这就是操作系统引导做的事情
磁盘
磁盘引导程序：
分区表：一种数据结构，存储了该磁盘当中每一个盘每一个分区占用多少空间以及每个分区的地址范围
C盘安装了操作系统并且用C盘来启动操作系统，这种情况下称C盘为这个磁盘的活动分区
补充知识：操作系统要启动，操作系统的数据都要放到主存里面，计算机的主存由RAM和ROM两个部分组成
ROM存储芯片存储的是BIOS（基本输入输出系统）包含：ROM引导程序，即自举程序
步骤
1.CPU从一个特定主存地址（ROM引导程序的位置）开始，取指令，执行ROM中的引导程序（先进行硬件自检，再开机）
2.将磁盘第一块----主引导记录读入内存，执行磁盘引导程序，扫描分区表
3.从活动分区（又称主分区，即安装了操作系统的分区）读入分区引导记录，执行其中程序
4.从根目录下找到完整的操作系统初始化程序（即启动管理器）并执行，完成开机的一系列动作
拓展：完整的操作系统初始化程序（即启动管理器）可在根目录下找到
例如：windows操作系统完整的开机初始化程序在根目录/Windows/Boot下
7.虚拟机
概念：使用虚拟化技术，将一台物理机器虚拟化为多台虚拟机器，每个虚拟机器都可以独立运行一个操作系统
第一类VMM
直接运行在硬件上
第二类VMM
运行在宿主操作系统上，我们较为常用的，例如：VirtualBox，VMware
两类虚拟机管理程序对比
结语
好了，以上就是第一章的知识点的总结和归纳，后续章节的知识点归纳和总结将不定期更新
知不可乎骤得，托遗响于悲风
------苏轼
本笔记是通过观看b站视频《王道考研----操作系统》总结而来
【王道计算机考研 操作系统】https://www.bilibili.com/video/BV1YE411D7nH?p=7&vd_source=f9c02b14d6c8f102a730f58d382df8bc