前言

青春如初春、如朝日、如百卉之萌动、如利刃之新发于硎，人生最宝贵之时期也。
青年至于社会，犹新鲜活细胞之在身。

1-1：操作系统的概念、功能和目标

• 一、概念（定义）
• 二、功能和目标：
  1. 资源管理者：安全、高效
  2. 向用户提供服务：方便使用
  3. 对硬件机器的扩展：扩展能力

一、操作系统的概念（定义）

• 计算机系统的层次结构：

• 概念（定义）：

  操作系统（Operating System，OS）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。
  打开Windows 操作系统的 “任务管理器”：（快捷键：Ctrl + Alt + Del）
  
• 操作系统（OS）是配置在计算机硬件上的第一层软件，是对硬件系统的首次扩充。
• OS 的地位：紧贴硬件（裸机）之上，所有其他软件之下。
  
• 计算机系统层次，每一层的扩充都为向上虚拟。
  

二、操作系统的功能和目标

• 交互性
• 实时性
• 方便性：使用户更方便地使用计算机
  

1、作为系统资源的管理者 （中间往两边）

进程是一个程序的执行过程。执行前需要将该程序放到内存中，才能被 CPU 处理。

• 示例：

2、作为用户和计算机硬件系统之间的接口（自下往上）

• 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：现代操作系统中最流行的图形用户接口
  

• 接口：

  （注：系统调用 = 系统调用命令 = 广义指令）
  

• GUI：图形用户界面（Graphical User Interface）

  用户可以使用形象的图形界面进行操作，而不再需要记忆复杂的命令。
  

3、作为最接近硬件的层次（自上往下：实现了对计算机资源的抽象）

• 需要提供的功能和目标：实现对硬件机器的拓展。

裸机： 没有任何软件支持的机器称为裸机。 在裸机上安装操作系统，可以提供资源管理功能和方便用户使用的服务功能，从而将裸机改造成功能最强、使用更方便的机器。

通常把覆盖了软件的机器称为 扩充机器，又称之为 虚拟机。

小结：

1-2：操作系统的特征（基本特性）

（注意：这里指的是通用操作系统）

四个基本特征：并发、共享、虚拟、异步。并发和共享是两个最基本的特征，两者互为存在条件。

• 并发

• 并发：指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。 这些事件宏观上是同时发生的，但在微观上是交替发生的。
• 操作系统的并发性指计算机系统中同时存在着多个运行着的程序。
• 一个单核处理机（CPU）同一时刻只能执行一个程序，因此操作系统会负责协调多个程序交替执行（这些程序在微观上是交替执行的，但宏观上看起来就像在同时执行）。
• In fact，操作系统就是伴随着 “多道程序技术” 而出现的。因此，操作系统和程序并发是一起诞生的。
  
  

• 共享

  共享即资源共享，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。
  

所谓的 “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该资源进行访问（即分时共享）

• 生活实例：
  
• 有的时候的同时共享也确实是在微观上也是同时共享的，比如在玩游戏的时候，一边听音乐，会发现扬声器一边播放音效，一边播放音乐。

• 并发与共享的关系

  • 并发性 指计算机系统中同时存在着多个运行着的程序
  • 共享性 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。
    
  • 并发和共享是互为存在条件的。
    

• 虚拟

  虚拟 是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（前者）是实际存在的，而逻辑上的对应物（后者）是用户感受到的。
  

一个程序需要放入内存并给它分配 CPU 才能 执行。

• 异步

  异步是指，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，而是走走停停的，以不可预知的速度向前推进，这就是进程的异步性。
  

• 小结：

  • 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两个最基本的特征。
    

1-3：操作系统的发展与分类

一、手工操作阶段

计算机是一个只能识别二进制的机器。只能识别 0 和 1 二进制的数字，程序员在纸带上打了一个孔就代表二进制的 1 ，没打孔就代表二进制的 0 ，当把自己的程序写入纸带后，需要把纸带装到纸带机上，纸带机则会读取纸带中的数据，然后把数据输入到计算机当中。

二、批处理阶段

1、单道批处理系统（SBPS）

系统对作业的处理都是成批的进行的，且在内存中始终只保持一道作业。

常驻监督程序（Monitor）：

• 控制作业运输
• 调度作业运行
  
  

2、多道批处理系统（MBPS）

指同时将多道程序装入内存中，并允许它们交替运行，共享系统中各种硬件、软件资源。

• 问题：为何多道批处理系统能使资源利用率大幅度提升？
  
  

三、分时操作系统

分时技术：把处理机的运行时间分出很短的时间片，按时间片轮流把处理机分配给各个联机作业使用。
分时的含义：指多个用户分享使用同一台计算机，多个程序分时共享硬件和软件资源
按时间片分配：各个程序在 CPU 上执行的轮换时间。

• 等待周期 = 时间片 * 终端数量

四、实时操作系统

特点：

• 强调作业完成的时限

小结：

1-4：操作系统的运行机制与体系结构

指令：

一、两种指令

二、两种处理机状态

CPU 如何判断当前是否可以执行特权指令？

三、两种程序

- 运行机制：

问题：操作系统的那些功能应该由内核程序实现呢？

四、操作系统的内核

• 内核是计算机上配置的底层 软件，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。
  

• 操作系统的体系结构：大内核 和 微内核 ；
  

小结：

1-5：中断和异常

一、中断机制的诞生

二、中断的概念和作用

三、中断的分类

• 另一种分类方式：
  

四、中断的处理过程

小结：

1-6：系统调用

一、什么是系统调用，有何作用？

二、系统调用与库函数的区别

二、系统调用背后的过程

小结：