程序放在内存里，然后不断的取指执行
BIOS：basic input output system

第一章 操作系统引论

1.1操作系统的目标和作用

1.1.1操作系统的目标

1.方便性

2.有效性

（1）提高系统资源的利用率
（2）提高系统的吞吐量：合理的组织计算机的工作流程，加速程序的运行

3.可扩充性

OS经历了无结构→模块化结构→层次化结构
近年来广泛采用微内核结构

4.开放性

遵顼开放系统互连OSI国际标准

1.1.2操作系统的作用

1、OS作为用户与计算机硬件系统之间的接口

用户可以通过三种方式使用计算机：①系统调用方式    ②命令方式    ③图标-窗口方式

2、OS作为计算机系统资源的管理者

分配和控制处理机
存储器：分配与回收内存
I/O设备：分配（回收）与操纵
文件：存取、共享和保护
协调多用户对共享资源的使用

3、OS实现了对计算机资源的抽象

无软件的计算机系统称为裸机
向上将I/O设备抽象为一组数据结构以及一组I/O操作命令；将覆盖了软件的机器称为扩充机器或虚机器。
OS是铺设在计算机硬件上的多层软件的集合，不仅增强了系统的功能，还隐藏了对硬件操作的具体细节。

1.1.3 推动OS发展的主要动力

1、不断提高计算机资源利用率

2、方便用户

3、器件的不断更新换代

4、计算机体系结构的不断发展

5、不断提出新的应用需求

1.2OS的发展过程

1.2.1 未配置操作系统的计算机系统

1、人工操作方式

（1）用户独占全机，但资源利用率低
（2）CPU等待人工操作，CPU的利用不充分

2、脱机输入/输出

采用外围机尽心输入/输出，不需要主机直接控制
（1）减少了CPU的空闲时间
（2）提高了I/O速度

1.2.2批处理系统

1、单道批处理系统

（1）处理过程
    一批作业以脱机方式输入到磁带上，在系统中的监督程序（Monitor）的控制下，一个接一个的连续处理。
    内存中始终只保持一道作业
（2）特点
    ①自动性
    ②顺序性
    ③单道性
（3）缺点：系统中的资源得不到充分的利用
    ①CPU的浪费：内存中仅有一道程序，这个程序I/O操作时，CPU只能等待I/O操作完成，浪费了CPU利用率
    ②内存的浪费：大部分时候一个作业不会占满内存
    ③I/O设备的浪费：一个系统配备的多种I/O设备，每一个作业只占用一个

2、多道批处理系统

（1）概念：把多个作业调入外存，排成一个“后备队列”，由作业调度程序来选择若干个作业调入内存，共享CPU和各种资源。使CPU保持在忙碌的状态
（2）特点
    ①多道
    ②宏观上并行
    ③微观上串行
（2）优缺点
  • 系统资源利用率高
  • 系统吞吐量大：①CPU和其他资源保持忙碌；②系统开销小（系统开销指运行OS时，系统管理花费的时间和空间，批处理中指处理作业之外的时间）
  • 平均周转周期长：作业要排队依次进行处理
  • 没有交互能力
（3）需要解决的问题
  • 处理机争用的问题
  • 内存的分配与保护问题
  • I/O设备的分配问题
  • 文件的组织和管理问题
  • 作业管理问题
  • 用户与系统的接口问题
这些问题都由操作系统（OS）来解决，因此
OS就是一组能有效地组织和管理计算机硬件和软件资源，合理对各类作业进行调度，以及方便用户使用的程序的集合

1.2.3分时操作系统

1、概念

    实现人机交互和共享主机
    是指在一台主机上连接了多个终端，多个用户可以同时通过自己的终端，以交互方式使用计算机，共享计算机资源。

2、要解决的问题

（1）及时接收：多路卡（实现分时多路复用）+缓冲区
（2）每个用户的作业都能得到及时的处理
    ①作业直接进入内存
    ②采用轮转运行的方式：一个作业每次只能运行一个时间片，然后立即调度下一个作业运行。

3、分时系统的特征

  • 多路性（同时性）：允许多个终端用户同时使用一台计算机
  • 独立性
  • 及时性
  • 交互性

1.2.4实时系统

1、实时系统的类型

    工业（武器）控制系统、信息查询系统、多媒体系统、嵌入式系统

2、实时任务的类型

（1）周期实时系统&非周期实时系统
（2）硬周期系统（截止时间非常严格）&软周期系统

4、实时系统和分时系统特征比较

  • 多路性
  • 独立性
  • 及时性
  • 交互性
  • 可靠性

王道补充：网络OS和分布式计算机系统

1、网络操作系统

    特点：网络中各种资源的共享及各台计算机之间的通信

2、分布式计算机系统

    特点
  • 任意两台计算机通过通信方式交换信息
  • 系统中的每台计算机有同等的地位
  • 每台计算机上的资源为所有用户共享
  • 系统中的任意台计算机都可以构成一个子系统，并且还可以重构
  • 任何工作都可以分布在几台计算机上，并由他们并行工作，协同完成

1.2.6微机操作系统的发展

微机OS可按微机的字长来分，也可按运行方式分成以下几类

1、单用户单任务OS

DOS

2、单用户多任务OS

Windows

3、多用户多任务OS

UNIX OS、Linux OS

1.3 操作系统的基本特性

1.3.1 并发（Concurrence）

1、并行与并发

    并行是同一时刻发生，并发是同一时间段发生

王道补充：重要考点：

单核CPU同一时刻只能执行一个程序，各个程序只能并发的执行
多核CPU同一时刻可以执行多个程序，各个程序可以并行的执行

2、引入进程

    进程是在系统中能独立运行并作为资源分配的基本单位，由一组机器指令、数据和堆栈组成，是一个能独立运行的活动实体；
    多个进程之间可以并发执行和交换信息。

1.3.2共享（Sharing）（复用）

1、互斥共享方式

（1）一段时间仅允许一个进程访问，这样的资源称为“临界资源”或”独占资源“
（2）一般的物理设备、表格、栈和变量等都是临界资源

2、同时访问方式

（1）一段时间允许多个进程“同时”对他们进行访问（微观上是交替进行的）

共享和并发是互为存在的条件

1.3.3虚拟

将一条物理信道变为若干的逻辑信道

1、时分复用

（1）虚拟处理机技术
    多道程序设计
（2）虚拟设备技术
    I/O设备的复用

2、空分复用（频分复用）

    利用存储器的空闲空间
    虚拟存储技术：本质上是内存的分时复用
注意：虚拟的实现，eg.时分复用，每台虚拟设备的平均速度小于等于物理设备速度的1/N
                                     空分复用，                                 占用空间小于等于物理设备所拥有空间的1/N

1.3.4异步

    进程是以人们不可预知的速度向前推进的，要配备进程同步机制，异步的运行方式就是允许的

1.4 操作系统的主要功能

1.4.1 处理机管理功能

1、进程控制

    为作业创建、撤销进程，控制进程在运行过程中的状态转换

2、进程同步

①进程互斥方式：临界资源配锁
②进程同步方式：信号量机制

3、进程通信 

4、调度

（1）作业调度
（2）进程调度

5、死锁处理

1.4.2 存储器管理功能

1、内存分配

（1）静态分配方式
（2）动态分配方式

2、内存保护

①确保每道用户程序仅在自己的内存空间内运行，彼此互不干扰
②绝不允许用户程序访问OS的程序和数据，也不允许用户程序转移到非共享的其他用户程序中去执行
    采取设置界限存储器的方式

3、地址映射

    将地址空间中的逻辑地址转换为内存空间的物理地址

4、内存扩充

    借用虚拟存储技术，在逻辑上扩大内存容量
    系统必须设置内存扩充机制，可实现①请求调入功能    ②置换功能

1.4.3 设备管理功能

1、缓冲管理

    有单缓冲机制，双缓冲机制，公用缓冲池机制等

2、设备分配

3、设备处理

    设备驱动程序

1.4.4 文件管理功能

1、文件存储空间的管理

2、目录管理

3、文件的读/ 写管理和保护

1.4.5 操作系统与用户之间的接口

1、用户接口（命令接口）

（1）联机用户（命令）接口
（2）脱机用户（命令）接口（批处理命令接口）
（3）图形用户接口

2、程序接口（系统调用）

    由一组系统调用（广义指令）组成；
    GUI图形接口所调用的系统调用命令是OS的一部分。

1.4.6现代操作系统的新功能

1、系统安全

（1）认证技术
（2）密码技术
（3）访问控制技术
（4）反病毒技术

2、网络的功能和服务

（1）网络通信
（2）资源管理
（3）应用互操作

3、多媒体技术

（1）接纳控制功能
（2）实时调度
（3）多媒体文件的存储

1.5 OS结构设计

1.5.1 传统操作系统结构

1、无结构OS

2、模块化结构OS

（1）基本概念
（2）模块独立性
  • 内聚性：模块内部各部分间联系的紧密程度，内聚性越高，模块独立性越强
  • 耦合度：模块间。耦合度越低，模块独立性越好
（3）模块接口法的优缺点
    又叫“无序模块法”

3、分层式结构OS

    自底向上法铺设若干个中间层

1.5.2 客户/服务器模式（C/S模式）

    由客户机，服务器和网络系统组成

1.5.3 面向对象的程序设计

1、基本概念

2、优点

（1）通过“重用”提高产品质量和生产率
（2）系统更易修改和扩展
（3）更易保证系统的“正确性”和”可靠性“

1.5.4 微内核OS结构

支持多处理机运行

1、微内核OS的基本概念

分为 微内核和多个服务器
（1）足够小的内核
    并非是一个完整的OS，而包含①与硬件处理紧密相关的部份    ②一些较基本的功能    ③客户和服务器之间的通信
（2）基于客户/服务器模式
（3）应用“机制与策略分离”原理
（4）采用面向对象技术

2、微内核的基本功能

（1）进程（线程）管理
（2）低级存储器管理
（3）中断和陷入处理

3、微内核OS的优点

（1）可靠性
（2）可移植性
（3）可扩展性
（4）支持分布式系统
（5）面向对象

4、微内核OS存在的问题

运行效率有所降低

王道补充：1.3 操作系统的运行环境

1.3.1 操作系统的运行机制

    CPU执行两种程序：操作系统内核程序&用户程序
    操作系统的内核包括以下四个内容

1、时钟管理

2、中断机制

中断机制中只有一小部分功能属于内核，他们负责保护和恢复中断现场的信息，转移控制权到相关的处理程序

3、原语

特点
（1）处于OS的最底层
（2）运行具有原子性
（3）运行时间都比较短并且调用频繁

4、系统控制的数据结构及处理

常见操作有①进程管理    ②存储器管理    ③设备管理

1.3.2 中断和异常的概念

1、中断和异常的定义

中断分为内中断（异常）、外中断（强迫中断）
内中断又分为自愿中断和强迫中断，强迫中断又有硬件故障和软件中断

2、中断处理的过程

（1）关中断
（2）保存断点
（3）中断服务程序寻址
（4）保存现场和屏蔽字
（5）开中断
（6）执行中断服务程序
（7）关中断
（8）恢复现场和屏蔽字
（9）开中断、中断返回

1.3.3 系统调用

    凡是与资源有关的操作，都必须通过系统调用方式向OS提出服务请求，并由OS代为完成
    大致可分为如下几类
  • 设备管理
  • 文件管理
  • 进程控制
  • 进程通信
  • 内存管理
用户程序可以执行陷入指令（又叫访管指令或trap指令）来发起系统调用，请求OS提供服务
这样设计，用户程序不能直接执行对系统影响非常大的操作，必须通过系统调用的方式请求OS代为执行，以便保证系统的稳定性和安全性
用户态转向核心态的例子：
    ①用户程序要求操作系统的服务，即系统调用
    ②发生一次中断
    ③用户程序中产生了一个错误状态
    ④用户程序中企图执行一条特权指令
    ⑤从核心态转向用户态由一条指令实现，这条指令也是特权指令，通常是中断返回指令
注意：由用户态进入核心态，用到的访管指令不是特权指令！因为是在用户态使用的。