操作系统的定义

• 操作系统是一组用于控制和管理计算机系统硬件与软件资源的程序集合。
• 操作系统负责合理调度各类作业，并为用户使用计算机系统提供便利。
• 从系统组成来看，操作系统本身属于软件。

基本特征

1. 并发：两个或多个活动在同一时间间隔内进行。
2. 共享：计算机系统中的资源可以被多个进程共同使用。
3. 异步：进程以不可预知的速度向前推进。
4. 虚拟：把一个物理实体变为若干个逻辑上的对应物。

其中，并发和共享是操作系统最基本的特征，二者互为存在条件。

主要功能

操作系统的主要功能包括：

1. 处理机管理。
2. 存储器管理。
3. 文件管理。
4. 设备管理。
5. 用户接口。

操作系统的发展

手工阶段

• 主要问题：人机速度矛盾明显，系统资源利用率低。

批处理阶段

1. 单道批处理系统：
   • 优点：缓解人机速度矛盾。
   • 缺点：系统资源利用率仍然较低。
2. 多道批处理系统：
   • 标志：操作系统正式诞生。
   • 优点：多道程序并发执行，资源利用率较高。
   • 缺点：不提供人机交互能力，交互性不足。

分时操作系统

• 特点：多个用户通过终端共享系统资源，系统按时间片轮流为用户服务。
• 优点：提供人机交互能力。
• 缺点：不能优先处理紧急事务。

实时操作系统

1. 硬实时系统：必须在规定时间内完成任务，例如火箭发射控制。
2. 软实时系统：时间要求相对宽松，例如订票系统。

实时操作系统的特点是能够优先处理紧急任务。

两种指令

• 特权指令：只允许操作系统使用，例如 I/O 指令、中断相关指令。
• 非特权指令：普通用户程序可以使用的指令，例如一般运算指令。

两种程序

• 内核程序：系统的管理者，可以执行特权指令，运行在核心态。
• 应用程序：普通用户程序，只能执行非特权指令，运行在用户态。

处理机状态

• 用户态，也称目态：CPU 只能执行非特权指令。
• 核心态，也称管态：CPU 可以执行所有指令。
• 用户态 -> 核心态：通过中断完成，这一过程由硬件触发。
• 核心态 -> 用户态：通常通过修改程序状态字 PSW 等方式完成。

原语

1. 原语处在操作系统最底层，是最接近硬件的部分。
2. 原语具有原子性，执行过程应当一气呵成。
3. 原语运行时间通常较短，并且调用频繁。

中断和异常

• 内中断：也称异常，信号来自 CPU 内部。
  • 自愿中断：例如陷入指令引发的系统调用。
  • 强迫中断：例如硬件故障、软件异常，典型例子是除零错误。
• 外中断：信号来自 CPU 外部，例如外设请求或人工干预。

系统调用

• 系统调用是操作系统提供给应用程序使用系统服务的接口。
• 系统调用通常在用户态发起，并由操作系统在核心态处理。

体系结构

• 大内核：将主要系统服务放在内核中，模块间通信开销较小，但内核规模较大。
• 微内核：只把最基本的功能放入内核，其余服务尽量放到用户态，结构更清晰但通信开销可能更高。