操作系统：控制和管理整个计算机系统的硬件和软件资源，并合理组织调度计算机工作和资源的分配，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
概念语功能
提供的功能
- 处理机管理
- 存储器管理
- 文件管理
- 设备管理
目标
- 安全
- 高效
为上层提供服务
- 普通用户
- GUI
- 命令接口
- 软件/程序员
- 程序接口/系统调用
基本特征
并发: 宏观上同时发生，微观上交替发生，CPU的调度共享: 多个进程共同使用同一资源虚拟: 对资源的抽象（虚拟内存，分时CPU等）异步: 多道程序环境下，IO资源有限，带来的时间等待
并行：宏观和微观上都是同时发生，多核CPU
运行机制
两类程序
内核程序: 多个内核程序组成操作系统内核应用程序: 基于操作系统之上的的应用程序
两种指令
特权指令: 只允许操作系统调用（保护计算机安全）非特权指令: 可以被上层应用程序调用
两种处理器状态
内核态用户态
CPU通过
内核态和用户态区分特权指令，CPU通过程序状态字寄存器（PSW）标志位区分内核态还是用户态
内核态->用户态: 执行特权指令修改PSW标志位用户态->内核态: 通过中断引发，由硬件自动完成
中断
中断是操作系统内核夺回CPU的使用权的的唯一途径（用户态->内核态）
- 内中断: CPU内部触发
- 陷阱，陷入：由程序主动引发，如系统调用
- 故障：由错误条件引起，内核修复故障后，会把CPU使用权还给程序，如缺页故障
- 终止：由致命错误引起的，CPU无法修复，会终止引用程序，如除数为0，非法执行特权指令
- 外中断: 每一条指令执行结束时，CPU都会检查是否有外中断信号（由硬件完成，效率高）
- 时钟中断（50nm）实现并发
- IO设备发出的中断信号(如：打印机准备就绪)
系统调用
应用程序通常使用操作系统提供的一组应用程序接口（库函数）来使用系统的服务，而这些应用程序接口由一组系统调用组成，更底层
- 应用程序: 可以直接使用库函数，也可以直接使用系统调用(比较少)
- 库函数：通常由编程语言通过
库函数的方式提供，封装了系统调用，有些库函数不包含系统调用 - 系统调用（可以通过
汇编语言调用）
系统调用是操作系统对底层资源管理的抽象，可以让上层更安全的使用系统资源，凡事与共享资源有关的操作（存储/IO/文件），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，保证系统的稳定性和安全性，防止用户非法操作，主要分为下面几类
- 设备管理: 启动/请求/释放
- 文件管理: 读/写/创建/删除
- 进程控制: 创建/阻塞/唤醒
- 进程通信: 消息传递/信号传递
- 内存管理: 内存的分配/回收
- 应用程序把对应的参数放到
寄存器 - 调用陷入指令（
trap），让CPU内核切换到内核态 - CPU调用对应的
系统调用（内核程序） - CPU把使用权返还给应用程序
体系结构
- 底层
- 时钟管理
- 中断处理
- 原语
- 处于最底层，最接近硬件
- 原子性操作
- 运行时间短，调用频繁
- 管理
- 进程管理
- 存储器管理
- 设备管理
由于进程管理，存储器管理，设备管理不直接操作底层，也可以作为用户态执行
- 大内核/宏内核: 将操作系统主要功能模块作为系统内核，运行在内核态
- 优点：高性能
- 缺点：内核代码庞大
- 常用操作系统：Linux，Unix
- 微内核：只保留最基本的功能在内核
- 优点：性能低
- 缺点：内核代码少，易维护
- 常用操作系统：Windows, MacOS