部分內容參考王道，一些名詞與北航課件有少量出入。
歡迎指正。
緒論
作業系統定義
作業系統是一組管理計算機硬體資源的軟體集合，它：
- 提供一個計算機使用者與計算機硬體系統之間的介面，使計算機系統更易於使用
- 有效控制和管理計算機系統中的各種硬體和軟體資源
- 合理地組織計算機系統的工作流程，以改善系統效能。
作業系統功能
向上層提供方便易用的服務。
作為最接近硬體的層次，作業系統需要實現對硬體機器的擴充。
作業系統簡史
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手工操作階段：紙帶機
主要缺點：使用者獨佔全機，人際速度矛盾導致資源利用率很低。
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批處理階段（單道）
- 把使用者提交的作業成批送入計算機，由作業排程程式自動選擇作業執行。
- 目的：縮短作業之間的交換時間；減少處理機的空閒等待，提高系統效率
- 聯機批處理：作業的輸入、輸出由CPU來處理–>高速主機與慢速外設
- 離線批處理：輸入、輸出脫離主機控制，增加一臺專門用於與輸入輸出裝置打交道的衛星機。
- 缺點：每次主機記憶體中僅存放一道作業，每當它執行期間發出輸入/輸出請求後，CPU便處於等待IO完成的狀態，使得CPU空閒。
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批處理階段（多道）：
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每次往記憶體中讀入多道程式，並允許它們交替在CPU中執行。
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作業系統正式誕生，用於支援多道程式併發執行。
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優點：系統吞吐量大，資源利用率高；
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缺點：平均週轉時間長；沒有人機互動功能，無法除錯程式，無法在執行過程中輸入引數。
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分時作業系統：
- 把處理機的執行時間分成很短的時間片，按時間片輪流把處理機分配給各聯機作業使用。
- 多個使用者分享使用同一臺計算機；多個程式分時共享硬體和軟體資源。
- 使用者請求可以被及時響應，解決了人機互動問題。
- 主要缺點：不能優先處理緊急任務。
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實時作業系統：
- 計算機系統接收到外部訊號後及時進行處理，並且要在嚴格的時限內處理完事件
- 及時性和可靠性
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作業系統的網路化（略）
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分散式作業系統（略）
作業系統的特徵
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併發
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併發是指一個處理器同時處理多個任務。在同一時刻只能有一條指令執行，但多個程序指令被快速的輪換執行，使得在宏觀上具有多個程序同時執行的效果。
單核CPU同一時刻只能執行一個程式，各個程式只能併發地執行。
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並行是指多個處理器或者是多核的處理器同時處理多個不同的任務。
多核CPU同一時刻可以執行多個程式，各個程式可以並行地執行。
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併發是邏輯上的同時發生（simultaneous），而並行是物理上的同時發生。
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共享
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共享即資源共享，指系統中的資源可供記憶體中多個併發執行的程序共同使用。
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兩種共享方式：
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互斥共享方式：系統中的某些資源在一個時間段內只允許一個程序訪問該資源
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同時共享方式：系統中的某些資源，允許一個時間段內由多個程序“同時”對它們進行訪問。
“同時”往往是宏觀上的，微觀上是交替訪問資源，即分時共享。
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虛擬
- 把一個物理上的實體變為若干個邏輯上的對應物。
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非同步性
- 在多道程式環境下，允許多個程式併發執行；但由於資源有限，程序的執行不是一貫到底的，而是走走停停，以不可預知的速度向前推進，這就是程序的非同步性。
併發和共享是最基本的兩個特徵，且它們互為存在條件。
作業系統的執行機制
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核心程式&應用程式
- 應用程式：建立在作業系統上的程式
- 核心程式組成了作業系統核心（簡稱核心）
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特權指令&非特權指令
- 特權指令：如“記憶體清零指令”等，只能由作業系統核心來使用；核心程式中可能存在。
- 非特權指令：與上相反。應用程式中只有非特權指令。
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核心態&使用者態
- CPU處於核心態時，說明正在執行核心程式，此時可以執行特權指令
- CPU處於使用者態時，說明正在進行應用程式，此時只能執行非特權指令
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核心態與使用者態的切換：
- 剛開機時為核心態。
- 開機完成後，作業系統核心程式能用一條特權指令，將PSW的標誌位設為“使用者態”
- 作業系統核心讓出CPU，應用程式在“使用者態”執行。
- 當應用程式中有特權指令，但CPU處於使用者態時，會引發一個中斷訊號
- CPU檢測到中斷訊號後，會變為核心態，並停止執行當前的應用程式，轉而對引發中斷的時間進行處理。
中斷和異常
名詞上略有差異。以下為王道版本：
中斷是讓作業系統核心奪回CPU使用權的唯一途徑。
- 內中斷（即異常）：與當前執行的指令有關，中斷訊號來源於CPU內部
- 例1：使用者態下試圖執行特權指令
- 例2：執行除法指令時除數為0
- 例3：應用程式想請求作業系統核心的服務，執行“陷入指令”（trap），引發一個內部中斷訊號。（陷入指令不是特權指令）
- 外中斷（即狹義中斷）：與當前執行的指令無關，中斷訊號來源於CPU外部
- 例1：時鐘中斷，由時鐘部件發來中斷訊號，用以實現程式併發執行
- 例2：I/O中斷，當輸入輸出任務完成時，向CPU傳送中斷訊號。
內中斷=異常，引發原因：
- 陷入（trap），陷入指令引發
- 故障（fault），由錯誤條件引起，可能被核心程式修復；核心程式修復故障後會把CPU使用權還給應用程式。例如：缺頁故障。
- 終止（abort），由致命錯誤引起，核心程式無法修復，一般會直接終止應用程式。例如上面的例1、例2
以下為你航版本：
非同步異常=中斷，可能隨時發生，與處理器正在執行的內容無關。
同步異常：某一特定指令執行的結果。具體見下圖。
中斷後進入核心執行緒處理中斷。
系統呼叫
作業系統作為使用者和系統之間的介面，需要向上提供一些簡單易用的服務，主要包括命令介面和程式介面。其中程式介面由一組系統呼叫組成。
系統呼叫是作業系統提供給應用程式使用的介面，可以理解為一種可供應用程式呼叫的特殊函式；
應用程式可以透過系統呼叫來請求獲得作業系統核心的服務。
系統呼叫的過程：
- 傳參
- Trap
- 由作業系統核心程式處理系統呼叫請求
- 返回應用程式
作業系統體系結構
以上兩部分的劃分，引出了兩種作業系統的體系結構：大核心和微核心（常考）
微核心結構：只包含中斷處理、程序通訊、基本排程等。
關於效率：CPU狀態轉換是有成本的，頻繁轉換會降低系統效能→
- 微核心效能低
- 優點：結構清晰方便維護、可移植性好、適應分散式系統。
典型大核心：Linux UNIX
典型微核心：Windows
分層結構，模組化結構，外核結構：王道課有，PPT涉及不多。
不同層次的介面
ISA, ABI, API 的含義以及聯絡
一個作業系統中編譯好的程式，在另一個ABI相容的作業系統中無需重新編譯就能執行。