在学习操作系统时总结了笔记，并分享出来，特别是蓝色和红色字体。有问题请及时联系博主：Alliswell_WP，转载请注明出处。
参考书：《操作系统》谌卫军等，清华大学出版社，2012年5月
参考视频：清航全套计算机专业课视频
目录
第一章 操作系统概述
1.计算机概述
2.操作系统的概念
3.操作系统的发展历史
4.操作系统的类型
5.操作系统需要的硬件特性
第一章 操作系统概述（计算机体系结构图、单道批处理、特权指令、程序状态字PSW、栈干嘛用）
1.计算机概述
思考两个问题：1）在一个计算机系统中，包括哪一些硬件设备？
2）如何把这些硬件设备搭建成一个系统，什么结构？
计算机指令：指令是计算机运行的最小的功能单位，是指挥计算机硬件运行的命令。
如：算术运算指令、逻辑运算指令、移位操作指令、数据传送指令、输入输出指令、转移指令等。
指令组成：操作码+操作数1+操作数2……
如：模仿 小鸡
加 1 3
2.操作系统的概念
为什么计算机种要引入操作系统？
如果程序员直接对硬件编程……
需要了解：键盘的工作原理？如何把键盘缓冲区中的数据拷贝到内存？显示器的工作原理？如何在屏幕的某个特定位置显示某字符？
怎么办？
在硬件和应用软件之间，引入一层软件，其功能为：
1）管理系统的各个部件，使之能正常运转；2）在上层的应用软件提供一个易于理解和编程的接口；
这层软件就是操作系统。
你眼中的OS是什么？
不同人眼中的OS是不同的，
OS设计者：如何管理CPU、内存、I/O设备等系统部件，使之能正常运转；
应用程序开发人员：API应用程序编程接口
3.操作系统的发展历史
Phase 1：1946-50年代 硬件非常昂贵，没有操作系统；
编程语言：机器语言；
输入输出：纸带或卡片；
用户在控制台前调试程序，独占全机。用户既是程序员，又是操作员，手工操作；
一次完成一个功能（计算，I/O，用户思考/反应），之间没有重叠。
问题：手工操作的低效率造成CPU资源的浪费。
Phase 2：50年代末-60年代中，批处理管理程序
（硬件昂贵，人力便宜，为了提高计算机的使用效率，减少手工操作！）
程序员把作业（卡片或磁带）提交给负责调度的程序员（系统管理员）；
操作员把作业“成批”地输入到计算机；
常驻内存的批处理管理程序自动地识别、装入一个作业，并运行之，软后再取下一个作业。
串行地执行作业，因而称为“单道批处理”。
问题：1）程序的调试比较困难；
2）由于慢速的输入输出处理仍然直接由主机来完成，使得CPU和I/O设备使用忙闲不均：对计算为主的作业，外设空闲；对I/O为主的作业，CPU空闲。
60年代初，发展了通道计数和中断技术，这些技术的出现使得I/O访问与CPU计算可以重叠进行。
通道：用于控制I/O设备与内存间的数据传输，有专用的I/O处理器，启动后可独立于CPU运行，实现CPU与I/O的并行工作。
中断：值CPU在收到外部中断信号后，停止原来工作，转去处理该中断事件，在完成后回到原来断点继续工作。
60年代中-70年代中，多道批处理系统
（现代意义上的操作系统的出现）
多道：内存中同时存放多个作业，由CPU以切换方式为之服务。在当前运行的作业需作I/O处理时，CPU转而执行另一个作业；
宏观上并行运行：都处于运行状态，但都未运行完；
微观上串行运行：各作业交替使用CPU和I/O设备
如何构造一个多道批处理系统？
需要解决的问题：1）内存管理，系统必须给多个作业分配内存；
2）内存保护，避免一个程序中的bug造成整个系统崩溃，或者是破坏了其他程序的执行；
3）CPU调度，系统必须在多个作业中不断地进行切换，选择其中的一个去使用CPU；
4）系统必须去管理各个并行运行的作业之间的交互关系。
Phase 3：70年代中-至今，分时系统（多个用户通过各自的终端分享地使用同一台计算机。）
（硬件较以前便宜，人力昂贵）
交互式分时：
-计算机比较贵，只有一台；
-终端比较便宜，人手一台；
-所有用户可与系统立即交互，调试比较方便；
一些分时操作系统
CTSS：由MIT开发；最早的分时系统之一；在调度方面进行了一些开拓性的工作；
MULTICS（MULTiplexed Information and Computing Service）：“公用计算服务系统”
UNIX（UNiplexed Information and Computing Service）：
Phase 4：
（硬件很便宜，人力依然昂贵）
计算机非常便宜，可以人手一台，Apple II、IBM PC等；
1974年Intel推出8080芯片，请Gary Kidall设计了CP/M操作系统——第一个个人计算机操作系统。Gary由此成立Digital Research公司；
1980年，微软——收购了DOS操作系统，创建了MS-DOS；
Phase 5：今天的操作系统
规模庞大：Windows NT是2千万行代码，Windows 2000约4千万行；
极为复杂；
互联时代；
4.操作系统的类型
批处理操作系统（多道批处理）
分时操作系统
实时操作系统
嵌入式操作系统
个人计算机操作系统
分布式操作系统
5.操作系统需要的硬件特性
OS需要的硬件特性：受保护的指令（特权指令）；系统调用；内存保护；中断机制；I/O系统；时钟操作
受保护的指令（特权指令）
有些指令只有操作系统才有权使用，例如：
1）访问某些硬件资源的指令，这些硬件资源禁止用户程序直接访问；
2）对I/O设备的直接访问指令，如磁盘、打印机等；
3）对内存管理状态进行操作的指令（页表指针、刷新TLB等）；
4）某些特殊的状态位的设置指令；
5）停机指令。
如何从硬件上实现OS的这个要求？
根据运行程序对资源和机器指令的使用权限，把处理器设置为不同状态。多数系统将处理器工作状态划分为管态和目态。
管态：操作系统的管理程序运行时的状态，较高的特权级别，又称为特权态、系统态、内核态
处理器处于管态时：可以执行所有的指令（包括特权指令）、使用所有的资源，并具有改变处理器状态的能力。
目态：用户程序运行时的状态，较低的特权级别，又称为普通态（普态）、用户态
在此状态下禁止使用特权指令，不能直接使用系统资源与改变CPU状态，并且只能访问用户程序所在的存储空间。
有些系统将处理器状态划分核心状态，管理状态和用户程序状态（目标状态）三种
实例：x86系列处理器
-386、486、Pentium系列都支持4个处理器特权级别（特权环：R0、R1、R2、R3）
-从R0到R3特权能力依次降低
-R0相当于双状态系统的管态
-R3相当于目态
-R1和R2则介于两者之间，它们能够运行的指令集合具有包含关系
四个级别运行不同类别的程序：
R0-运行操作系统核心代码
R1-运行关键设备驱动程序和I/O处理例程
R2-运行其它受保护共享代码，如语言系统运行环境
R3-运行各种用户程序
现在基于x86处理器的操作系统，多数UNIX、Linux以及Windows系列大都只用了R0和R3两个特权级别。
问题一：CPU怎么来判断当前运行的程序是系统程序还是用户程序呢？
程序状态字PSW——一个专门的寄存器，用来指示处理器的状态，PSW（Program Status Word），通常包括：
1）CPU的工作状态码——指明管态还是目态，用来说明当前在CPU上执行的是操作系统还是一般用户，从而决定其是否可以使用特权指令或拥有其它的特殊权力；
2）条件码——反映指令执行后的结果特征；
3）中断屏蔽码——指出是否允许中断
问题二：状态之间如何转换？
管态——>目态
通过设置PSW（修改程序状态字）来实现；
目态——>管态
用户程序无法直接修改程序状态字；
那么用户程序如何才能去做一些带有“特权” 的事情（如I/O）呢？
解决之道是——（系统调用）
系统调用
用户程序通过特殊的防管指令，来请求操作系统为其提供某种功能的服务。系统调用指令的实现过程一般是：
-当CPU执行防管指令时，即引起防管中断；
-处理器保存中断点的程序执行上下文环境（PSW，PC和其他的一些寄存器），CPU切换到管态。
-中断处理程序开始工作，调用相应的系统服务；
-中断处理结束后，恢复被中断程序的上下文环境，CPU恢复为目态，回到中断点继续执行。
内存保护（先不讲）
中断机制（同步中断和异步中断）
I/O系统（先不讲）
时钟操作（先不讲）
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