操作系统概述
什么是操作系统？
操作系统
（Operating System，简称OS）是管理和控制计算机硬件与软件资源的计算机程序，是直接运行在“裸机”上的最基本的系统软件，任何其他软件都必须在操作系统的支持下才能运行。
操作系统是用户和计算机的接口，同时也是计算机硬件和其他软件的接口。操作系统的功能包括管理计算机系统的硬件、软件及数据资源，控制程序运行，改善人机界面，为其它应用软件提供支持，让计算机系统所有资源最大限度地发挥作用，提供各种形式的用户界面，使用户有一个好的工作环境，为其它软件的开发提供必要的服务和相应的接口等。实际上，用户是不用接触操作系统的，操作系统管理着计算机硬件资源，同时按照应用程序的资源请求，分配资源，如：划分CPU时间，内存空间的开辟，调用打印机等。
操作系统的目标和作用
操作系统的目标：（主要目标：方便性、有效性、可扩充性和开放性）
1.改造裸机，使其功能更强大，使用更方便
目标：配置了OS后的计算机变得更容易使用（方便性）。
作用：OS提供是用户接口的提供者，该接口提供了各类公共服务。
2.有效管理系统中的软硬件资源，使其得到充分利用
目标：有效管理资源，合理组织系统工作流程，增强系统性能（提高资源利用率和系统的吞吐量）。
作用：OS是资源的管理者，管理资源是OS的特权。
操作系统的硬件基础
操作系统是如何被激活从而获得控制权的？
操作系统最为重要的硬件基础是硬件的中断机构
1. 当操作系统无事可做时以“闲逛”的形式等待事件的发生。各种事件以各种中断源发向CPU，经过中断机构响应后，进入对操作系统某些功能的调用，OS从而被驱动。
2. 因为操作系统的所有功能都是由中断驱动的，所以只有借助中断，OS才能获得系统监控权。（所以，中断是驱动和激活OS唯一的手段）
3. 操作系统内核代码运行在系统态（也叫管态、核心态）。
4. 用户程序代码运行在用户态（也叫目态、常态）。
5. 从用户态进入核心态的唯一途径是中断。
CPU的主要寄存器
数据寄存器：暂存来自内存的数据或将要写入内存的数据。
指令寄存器：存放正在执行的指令，以便指令译码器能译码执行。
地址寄存器：保存CPU当前访问的内存地址，直至内存读写操作完成。
累加寄存器：暂存算数逻辑单元ALU运算的结果。
程序计数器（Program Counter，PC）：存放现行程序将要执行的指令地址。
程序状态字（Program Status Word，PSW）：用于保留及指示与程序相关的所有系统信息。
CPU及其工作状态
特权指令：仅供OS内核程序使用的指令。（如：启动外设、清空内存、加载PSW、加载PC等敏感操作）
普通指令：除特权指令以外的指令。
管态：可执行指令全集、访问全部内存和所有系统资源。
目态：只能执行规定的指令、访问指定寄存器和指定存储区域。
中断（iterrupt）的含义
中断是指计算机在执行程序过程中，遇到需要立即处理的事件，暂停当前正在运行的程序，转而执行相应的事件处理程序（中断处理程序，设置在OS内核中），处理完成再返回断点或调度其他程序执行的过程。
什么是现场？
指在中断那一刻，确保被中断程序能恢复继续运行的信息：如PC（断点）、通用寄存器、特殊寄存器（如PSW）等。
中断机构
发现中断源的中断请求，保留现场，识别中断源，引出中断处理程序的硬件机构。
中断处理程序
设置于OS内核，处理各类中断事件的系统程序。
中断源的分类
自愿性中断是一次系统调用（System Call）的过程。
系统调用时OS提供程序一级的接口，是目态程序获得OS服务的唯一手段。
操作系统的形成
手工操作及其存在的效率问题
1. 装卡（建立作业）：安装卡片或纸带，按下控制台按钮装入程序。
2. 用“拨开关”的方式控制程序的执行过程。
3.
通过“看氖灯”来观察程序的运行情况。
4. 卸带取卡（作业衔接）：前一程序运行结束，手工安装下一个作业的卡片。
存在的效率问题：
人机矛盾：高速的CPU等待缓慢的人工干预，导致机器闲置。也就是
高速CPU与低速I/O设备所产生的矛盾
。
监督程序（
单道批处理系统
）
单道批处理：
作业按照作业说明书的控制要求自动运行，消除了人工干预。
1. 联机单道批处理系统：
联机I/O：低速外设的I/O过程由主机直接控制的I/O方式。
2. 脱机单道批处理系统：
脱机I/O：低速外设的I/O过程由卫星机控制脱离主机运行。
代价：消耗卫星机的代价。
3. 特点：
批处理（脱机控制）特性：在作业运行过程中，不允许用户对其进行干预。
单道性：处理机中至始至终只有一道用户程序运行。
多道程序设计
技术思想：允许多个程序同时进入内存并运行的方法。
宏观上：多个程序处于已经开始运行，尚未结束运行的状态，它们同时运行。
微观上：在某个时刻，CPU里只有一道程序运行，它们交替执行。
并行性：若干个事件在同一时刻发生。
并发性：若干个事件在同一时间间隔内发生。
用户程序的执行过程
多道程序的并发过程
多道程序设计的特点：
1. 充分发挥CPU和外设的并行性，提高了各类资源的利用率。
2. 增加了系统的吞吐量（系统单位时间的算题量）。
操作系统的基本类型
一、多道批处理系统：允许多个用户将作业批量地提交给系统，由系统以脱机方式加以多道并发处理的操作系统。
多道批处理系统
特点：
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二、分时系统：一台主机连接多个带显示器和键盘的终端，允许多个用户同时使用该系统进行联机交互式运算的操作系统。
分时系统的特点：
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三、实时系统：及时响应随即发生的外部请求或信号，并且能在限定时间内完成对该事件处理的操作系统。
实时系统分为：
实时控制系统
、
实时信息处理系统
。
实时控制系统：
实时信息处理系统：
实时系统的特点：
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操作系统的特征
| 并发性（Concurrency） | 两个或以上的活动或事件在同一时间间隔内发生 |
| 共享性（Sharing） | 系统资源不再为某个程序所独占，而为多个用户程序共同使用 |
| 虚拟性（Virtual） | 把物理上的一个实体变为逻辑上的多个对应物，或者把物理上的多个实体变为逻辑上的一个对应物。 |
| 异步性、随机性、不确定性（Asynchronism） | 并发程序以不可预知的速度向前推进，并发活动具有不可再现性，可能导致程序的执行结果不唯一，OS需要在随机环境下保证程序确定结果。 |
随机环境：
1. 程序众多而且资源有限，从而程序的执行是走走停停的，其状态不可预测。
2. 到达系统的作业类型和时间是随机的，导致程序的执行速度呈快慢变化。
3. 形形色色的中断发生是随机的，导致程序执行时间不可预测。