概论

操作系统的结构

多道程序设计：通过安排作业(编码与数据)使得 CPU 总有一个执行作业，从而提高 CPU 利用率

分时系统(或多任务)：是多道程序设计的自然延伸。对于分时系统，虽然 CPU 还是通过切换作业来执行多个作业，但是由于切换频率很高，用户可以在程序运行时与其交互。

分时系统要求计算机系统是可交互的，以便用户与系统直接通信。用户通过输入设备，如键盘、鼠标、触控板、触摸屏等向操作系统或程序发出指令，并等待输出设备的即时结果。相应的，响应时间应当较短，通常小于 1 秒。

分时操作系统允许许多用户同时共享一台计算机。由于分时系统的每个动作或命令往往较短，因而每个用户只需少量 CPU 时间。随着系统从一个用户切换到另一个用户，每个用户都会感到整个系统只为自己所用，尽管它事实上为许多用户所共享。

操作系统的执行

双重模式

为了确保操作系统的正确运行，必须区分操作系统代码和用户代码的执行。大多数计算机系统采用硬件支持，以便区分各种执行模式

至少需要两种单独运行模式：用户模式和内核模式(也称为监视模式、系统模式或特权模式)。计算机硬件可以通过一个模式位来表示当前模式：内核模式(0)和用户模式(1)。有了模式位，就可区分为操作系统执行的任务和为用户执行的任务。当计算机系统执行用户应用时，系统处于用户模式。然而，当用户应用通过系统调用，请求操作系统服务时，系统必须从用户模式切换到内核模式，以满足请求

大多数的当代操作系统，如 Windows、UNIX 和 Linux，都利用来双重模式的优点，并为操作系统提供了更强保护

定时器

操作系统应该维持控制 CPU，防止用户程序陷入死循环，或不调用系统服务并且不将控制返给操作系统。为了实现这一目标，可以使用定时器。定时器可设置为在指定周期后中断计算机。

定时器可以防止用户程序运行过长。一种简单方法是，采用程序允许执行的时间来初始化计数器。例如，能运行 7 分钟的程序可以将计数器设置为 420. 定时器每秒产生一次中断，计数器相应递减 1.只要计数器的值为正，控制就返回到用户程序。当计数器的值为负时，操作系统就会中止程序执行，因为它超过来设置的时间限制。

进程管理

进程为了完成任务，需要一定的资源，包括 CPU 时间、内存、文件、I/O设备等。这些资源可以在进程创建时赋予，也可以在执行进程时分配。

进程是系统的工作单元。系统由多个进程组成，其中有的是操作系统进程(执行系统代码)，其他的是用户进程(执行用户代码)

内存管理

内存是现代计算机系统执行的中心。内存是一个大的字节数组，大小从数十万到数十亿。每个字节都有地址。内存是个快速访问的数据仓库，并为 CPU 和 I/O 设备所共享。中央处理器在获取指令周期时从内存中读取指令，而在获取数据周期时对内存数据进行读写(在冯诺伊曼架构上)。内存一般是 CPU 所能直接寻址和访问的、唯一的、大容量的存储器。例如，如果 CPU 需要处理磁盘数据，那么这些数据必须首先通过 CPU 产生的 I/O 调用传到内存。同样，如果 CPU 需要执行指令，那么这些指令必须在内存中

如果一个程序需要执行，那么它必须映射到绝对地址，并且加载到内存。随着程序执行，进程可以通过产生绝对地址来访问内存的程序指令和数据。最后，程序终止，它的内存空间得以释放，这样下一个程序可以加载并得以执行

为改进 CPU 的利用率和用户的计算机响应速度，通用计算机应在内存中保留多个程序，这就需要内存管理

操作系统管理内存的以下活动：

记录内存的哪部分在被使用以及被谁使用
决定哪些进程(或其部分)会调入或调出内存
根据需要分配和释放内存空间

存储管理

高速缓存

高速缓存有时也简称为缓存，是计算机系统的一条重要原理。它的工作原理如下：信息通常保存在一个存储系统中(如内存)，使用时，它会临时复制到更快存储系统，即高速缓存；当需要特定信息时，首先检查它是否处于高速缓存，如果是，可以直接使用高速缓存的信息，如果否，就使用位于源地的信息，同时将其复制到高速缓存以便下次再用

位图

位图为 n 个二进制位的串，用于表示 n 项的状态。例如，假设有若干资源，每个资源的可用性可用二进制数字来表示：0 表示资源可用，而 1 表示资源不可用(或相反)。位图的第 i 个位置与第 i 个资源相关联。例如有如下位图：

1	`001011101`

第 2、4、5、6 和 8 个资源是不可用的，第 0、1、3 和 7 个资源是可用的

当需要表示大量资源的可用性时，通常采用位图。磁盘驱动器就是这么工作的。一个中等大小的磁盘可以分成数千个单元，称为磁盘块。每个磁盘块的可用性就可通过位图来表示

系统调用

系统调用提供操作系统服务接口。这些调用通常以 C 或 C++ 编写，当然，对某些底层任务(如需直接访问硬件的任务)，可能应以汇编语言指令编写

通常，系统每秒执行成千上万的系统调用

对大多数的程序设计语言，运行时支持系统(由编译器直接提供的函数库)提供了系统调用接口，以链接到操作系统的系统调用。系统调用接口截取 API 函数的调用，并调用操作系统中的所需系统调用。通常，每个系统调用都有一个相关数字，而系统调用接口会根据这些数字建立一个索引列表。系统调用接口就可调用操作系统内核中的所需系统调用，并返回系统调用状态与任何返回值

调用者无需知道如何实现系统调用，而只需遵循 API，并知道在调用系统调用后操作系统做了什么

系统调用的类型

进程控制

结束(end())、中止(abort())
加载(load())、执行(execute())
创建进程(create_process())、终止进程(terminate_process())
获取进程属性(get_process_attributes())、设置进程属性(set_process_attributes())
等待时间(wait_time())
等待事件(wait_event())、信号事件(signal_event())
分配和释放内存(acquire_lock(), release_lock())

文件管理

创建文件(create())、删除文件(delete())
打开(open())、关闭(close())
读(read())、写(write())、重新定位(reposition())
获取文件属性(get_file_attributes())、设置文件属性(set_file_attributes())
文件的移动(move())和复制(copy())

设备管理

请求设备、释放设备
读、写、重新定位
获取设备属性、设置设备属性
逻辑附加或分离设备

信息维护

获取时间或日期、设置时间或日期
获取系统数据、设置系统数据
获取进程、文件或设备属性
设置进程、文件或设备属性

通信

创建、删除通信连接
发送、接收信息
传送状态信息
附加或分离远程设备

保护

保护提供控制访问计算机的系统资源的机制。过去，只有多用户的多道计算机系统才要考虑保护。随着网络和因特网的出现，所有的计算机(从服务器到手持移动设备)都应考虑保护

通常，提供保护的系统调用包括 set_permission() 和 get_permission()，用于设置资源(如文件和磁盘)权限。系统调用 allow_user() 和 deny_user() 分别用于允许和拒绝特定用户访问某些资源

系统引导

加载内核以启动计算机的过程，称为系统引导。大多数计算机系统都有一小块代码，称之为引导程序或引导加载程序。这段代码能够定位内核，并加载到内存以开始执行。有的计算机系统(如 PC)采用两个步骤：一个简单引导程序从磁盘上调入一个更复杂的引导程序，而后者再加载内核

当 CPU 收到一个重置事件时，例如上电开机或重新启动，指令寄存器会加载某个预先定义的内存位置，并从该位置开始执行。该位置就是初始引导程序所在。该程序为只读存储器(Read-Only Memory, ROM) 形式，因为系统启动时 RAM 处于未知状态

引导程序可以完成一系列任务。通常，有一个任务需要运行诊断程序来确定机器状态。如果通过诊断，则程序可以继续启动步骤。引导程序也能初始化系统的所有方面：从 CPU 寄存器到设备控制器以及内存内容。最终，它启动操作系统。

有些系统，如手机、平板电脑和游戏控制器，将这个系统保存在 ROM 中。对于小型的操作系统、简单的支持硬件和耐用的操作，将操作系统存储在 ROM 中是适合的。该方法有一个问题：改动引导程序代码需要改动 ROM 芯片。为了解决这个问题，有些系统采用可擦可编程只读存储器(Erasable Programmable Read-Only Memory, EPROM)，这是一种只读存储器，但当明确给定一个命令时就会变为可写的。所有形式的 ROM 都是固件，因为它的特性介于硬件和软件之间。通常，固件存在的问题是：执行代码比在 RAM 中慢。有些系统将操作系统保存在固件中，而在执行时将其复制到 RAM 中，以便执行更快。固件的最后一个问题是相对较贵，所以通常只有少量可用

对大型操作系统(包括大多数的通用操作系统，如 Windows、Mac OS X 和 UNIX) 或经常改变的系统，引导程序存放在固件上，而操作系统放在磁盘上。在这种情况下，引导程序会先进行诊断，然后从磁盘固定位置(如第 0 块) 读取整块信息到内存，最后执行引导块的代码。存储在引导块的程序可能足以加载整个操作系统到内存，并开始执行。更典型地，它只是简单的代码(因为它要存放在单一的磁盘块上)，并且只知道磁盘的地址以及引导程序其余部分的长度。GRUB 是一个开源的例子，用于引导 Linux 系统。所有磁盘的引导程序和操作系统本身，通过向磁盘写入新的版本，就可以很容易地改变。具有引导分区的磁盘称为引导盘或系统盘

整个引导程序在加载后，就可遍历文件系统以寻找操作系统内核，将其加载到内存中，并开始执行。只有到这时，才说系统是在运行