第一章-计算机系统概述
1.1 操作系统的基本概念
系统软件，控制计算机硬件和软件资源
操作系统的特征：最主要的是并发和共享
（1）并发：分时交替。单处理机同时只能运行一个进程
（2）共享：系统资源可供多个并发的进程同时使用，同步互斥
（3）虚拟：物理实体->逻辑事物
（4）异步：多个程序执行速度不可预知，但结果一定
操作系统的功能：处理机管理，存储器管理，文件管理，设备管理
操作系统的接口：命令接口（联机：交互式，脱机：批处理），系统调用（程序接口，给编程人员的接口）
库函数来使用系统调用
1.2 操作系统的发展和分类
发展流程：手工操作阶段->批处理阶段->分时系统->实时系统->PC操作系统
批处理系统：将一批作业进入内存，交给操作系统处理，用户脱机。优点：资源利用率高，缺点：无交互能力
单道批处理系统：内存中始终保持一道作业。如果程序运行时发出io请求，那CPU就要等待低速的io
多道批处理系统：允许多个程序同时进入内存，在CPU中交替运行。一个程序io的同时，CPU可以转而执行其他程序。但是用户不知道程序的运行情况，不能和计算机交互，只能通过提前写好的用户说明书来调试
分时操作系统：处理器的运行时间分成很短的时间片，轮流分配给各作业。多个用户共享一台主机，交互互不干扰
实时操作系统：订票、银行，严格及时
1.3 操作系统的运行环境
1.操作系统运行机制
CPU有两种状态：用户态时，只能执行非特权指令，内核态可以执行特权指令
操作系统内核包括：
- 时钟管理：计时，时间片轮转调度切换进程
- 中断机制
- 原语：不可被中断的原子进程
- 系统控制的数据结构（进程管理，存储器管理，设备管理），与硬件关系不紧密
用户态到内核态切换需要通过中断或异常，反过来则需要中断返回指令。
进程从用户态->内核态需要访管指令，中断处理程序在内核态运行。
2.中断和异常
硬件中断：中断信号来自硬件设备
- 外中断（中断）：来自外部设备，包括io设备中断、外部信号中断、定时器引起的时钟中断
- 内中断（异常）：中断信号来自CPU内部指令执行
- 故障fault：可恢复的错误，如缺页（通过访存指令产生的异常）
- 终止abort：不可恢复的错误，如非法指令，除数为0
软中断：通过当前进程中断指令int产生的中断，其实是程序的正常执行
- 陷入trap：有意的异常，如系统调用（用户态到内核态的切换）
CPU响应中断后，中断处理过程：
- 中断隐指令（硬件直接实现）做的事：（用户态）
- 关中断：因为保护中断现场时不能被中断打扰
- 保存断点：将当前PC值压栈
- 中断服务程序寻址：将中断向量（中断服务程序的入口地址）放入PC
- 中断服务程序做的事：（内核态）
- 保存现场和屏蔽字：通用寄存器的值
- 开中断：为了中断嵌套，接受新的中断
- 执行中断服务程序
- 关中断：保证恢复现场时不能被打扰
- 恢复现场和屏蔽字
- 开中断
- 中断返回
3.系统调用
程序调用操作系统提供的功能包括设备管理、文件管理、进程控制、进程通信、内存管理。
用户程序通过int 0x80命令产生软中断，然后通过trap陷入指令发起系统调用，把CPU使用权主动交给内核，即用户态到内核态。此时，寄存器eax中会存放系统调用号，根据系统调用号查找系统调用表sys_call_table中对应的系统调用服务程序入口地址。内核处理完后，再把CPU使用权还给用户程序
1.4 操作系统的体系结构
分层法
将操作系统分成若干层次，0为硬件（最底层），n为用户接口
每层只能调用相邻的更低层的服务
模块化
将操作系统按功能划分为多个模块，各模块之间通过接口通信
大内核与微内核
大内核：操作系统主要模块都作为整体运行在内核态。
- 性能高，但是增加系统服务时需要修改内核，接口复杂
微内核：内核态只有最基本的功能（进程管理等）
- 微内核基于用户/服务器模式，只有微内核运行在内核态，其他模块在用户态
- 可靠性高，但需要频繁切换，性能差
1.5 程序运行环境
进程的内存映像与地址空间
一个程序从硬盘调入内存就构成了进程的内存映像
内存映像从上到下（高地址到低地址）：
- 栈：用来实现哈函数调用
- 堆：存放动态分配的变量
- 数据段：全局变量和静态变量
- 代码段：程序的二进制代码
程序调入内存后，数据段和代码段大小固定
此外，还有进程控制块PCB存放在系统区
1.6 操作系统引导过程
- CPU执行ROM中的boot程序，将BIOS程序（基本输入输出系统）的第一条指令放入指令寄存器，开始执行BIOS
- BIOS硬件自检，通过遍历方式寻找带有主引导记录的系统硬盘
- 加载主引导记录MBR，根据标识符找到引导硬盘
- 加载硬盘分区表，MBR找到哪个硬盘分区含有操作系统
- （加载硬盘活动分区，分区引导记录PBR，启动管理器。。。）
- 加载操作系统到内存中的系统区，属于RAM
1.7 虚拟机
两种虚拟化方法
1.第一类虚拟机
虚拟机作为用户态的进程，当执行内核态指令时，陷入虚拟机管理程序。虚拟机管理程序检查该指令是否是虚拟机的操作系统执行的，是则正确执行
2.第二类虚拟机
虚拟机的操作系统称为客户操作系统，安装虚拟机的底层硬件上的操作系统是宿主操作系统
虚拟机管理程序伪装成完整的计算机，有虚拟设备，虚拟磁盘