操作系统 | 了解操作系统的基础知识
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目录
思考：为什么应用程序不能直接访问外设，而要先访问操作系统？
操作系统基础知识
用户角度
操作系统：控制软件：管理应用程序，为应用程序提供服务，杀死应用程序。
资源分配角度
操作系统的实现了资源管理；管理外设、分配资源
操作系统架层次结构
硬件之上：
应用程序之下：为应用软件提供服务支撑
Linux、Windows、android的界面：属于外壳（shell），而不是内核（kernel）；kernel是研究重点，在shell之下。
内部组件
Kernel包括
CPU调度器、物理内存管理、虚拟内存管理、文件系统管理、中断处理与设备驱动
OS Kernel的特征
OS Kernel的特征
并发(指一段时间内多个程序运行；而并行是指一个时间点上多个程序运行，要求多个CPU):计算机系统中同时存在多个运行的程序，需要OS管理和调度
共享：“同时”访问 或 互斥共享
虚拟：利用多道程序设计技术，让每一个用户都觉得有一个计算机专门为他服务
异步：程序的执行不是一步到底的，而是走走停停，向前推进的速度不可预知。但只要运行环境相同，OS要保证程序运行的结果也相同
操作系统的结构
(1)简单的操作系统：
MS-DOS 不分模块的单体内核 (内部通过函数调用访问,缺点：复杂，紧耦合，易受攻击)
(2)微内核
尽可能把内核功能移植到用户空间，缺点性能低。
(3)外核
内核分为一块，一块负责和硬件打交道，另一部分和应用打交道。
(4)虚拟机
VMs(虚拟机)->VMM(虚拟机监视器)->物理机硬件，多操作系统共享硬件资源。
顶级会议
SOSP、USENIX
学术界
ACM、IEEE、USENIX、CCF
意义
操作系统是系统安全的基础；
权衡：空间和时间；性能和可预测性；公平和性能。
操作系统的启动
CPU、I/O、内存
操作系统先存放在DISK（存放OS）、Bios（基本I/O处理系统）
Bootloader -->加载OS
POST（加电自检）-->寻找显卡和执行BIOS
系统调用、异常、中断
系统调用：来源于应用程序，应用程序主动向操作系统发出服务请求
异常：来源于不良的应用程序，非法指令或者其他的处理状态
中断：来源于外设，来自不同的硬件设备的计时器和网络的中断
中断的处理机制：
1.硬件：设置中断标记（CPU初始化）将内部、外部事件设置中断标记,中断事件的ID
2.软件：操作系统来保存当前处理状态，然后根据中断号中断读物程序处理，随后清楚标记，最后恢复之前保存的处理状态
异常的处理机制：
1.异常编号：保存现场，随后进行异常处理，杀死产生的一场程序，重新执行异常指令，最后恢复现场。
系统调用的处理机制：
1.-一条指令会触发一个系统调用。应用程序调用printf（）时，会触发系统调用write（）
2.专门的API-->系统调用端口。
系统调用：触发CPU从用户态到内核态的转换，切换程序和内核的堆栈，需要一定的开销
3.
三者的区别
1.源头不同
中断来源于外设（鼠标、键盘、网卡、声卡、显卡等）；异常来源于应用程序意想不到的行为；系统调用来源于应用程序请求操作提供服务。
2.处理时间不同。
中断和异常为异步（异步双方不需要共同的时钟，也就是接收方不知道发送方什么时候发送，所以在发送的信息中就要有提示接收方开始接收的信息，如开始位，同时在结束时有停止位）,系统调用为异步或者同步。
3.响应不同
中断是持续的，对用户应用程序是透明的；异步是杀死或者重新执行意想不到的程序指令；系统调用的响应是等待或者持续的。
跨越操作系统边界的开销
用户态：操作系统运行中，CPU处于的特权级别，不能直接执行特权指令
内核态：操作系统运行中，CPU处于的特权级别，可以执行任何一条指令
思考：为什么应用程序不能直接访问外设，而要先访问操作系统？
在计算机运行中，内核时被信任的第三方，只有内核可以执行特权指令，同时为了方便应用程序。
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