前言

操作系统的知识抽象、晦涩、不易理解并记忆，在此对“计算机系统概述”一章中重点知识总结成提纲。

计算机系统分层（另一种视角）

从上/高到下/低/底层：

用户
应用程序
操作系统
硬件

操作系统的特征

并发
共享（互斥共享；同时访问）

注意：宏观上的“同时”，微观上可能并行或并发。
并发和共享是操作系统两个最基本的特征。

虚拟（时分复用技术：虚拟处理器；空分复用技术：虚拟存储器，虚拟外部设备）
异步

操作系统的功能

管理计算机系统资源：

处理机管理
存储器管理
文件管理
设备管理

提供用户与计算机硬件系统间接口：

作为接口（命令接口=联机命令接口/交互式命令接口+脱机命令接口/批处理命令接口；程序接口/广义指令/系统调用；图形接口/图形用户界面/GUI）

图形接口是调用系统调用实现的功能，本质还是使用程序接口。

扩充计算机资源：

扩充机器（裸机硬件+操作系统等软件->虚拟机）

操作系统的发展历程

从早到晚依次为：

手工操作阶段（无操作系统）
脱机/批处理阶段（出现操作系统；单道批处理系统+多道程序技术->多道批处理系统）
分时操作系统（分时技术）
实时操作系统（在某个时间限制内完成某些紧急任务而不需要时间片排队；硬实时系统+软实时系统）
网络操作系统
分布式操作系统
个人计算机操作系统（目前使用最广泛）

其他操作系统类型：嵌入式操作系统、服务器操作系统、智能手机操作系统等。

中央处理器（CPU）的运行模式/工作状态

内核程序，运行在内核态（管态，核心态），可执行特权、非特权指令
应用程序，运行在用户态（目态），可执行非特权指令

注意：内核态不可执行陷入/访管/Trap指令。
使用程序状态字寄存器中的一位二进制数标识中央处理器（CPU）的运行模式/工作状态。

操作系统内核的内容

两部分：

与硬件相关的模块
运行频率高的程序

四方面：

时钟管理
中断机制

注意：中断机制中只有少部分功能属于内核

原语：是一类程序
系统控制的数据结构和处理（进程、存储器和设备管理）

注意：
不同操作系统内核的内容可能不同。
操作系统=内核部分+非内核部分。

特权指令的内容类型

时钟操作
中断操作
原语操作
系统调用操作（广义指令）

用户态->内核态：陷入/访管/Trap指令，不是特权指令。
内核态->用户态：一般是中断返回指令，是特权指令。

或：

有关操作I/O设备
有关访问程序状态
有关存取特殊寄存器
其他

中断（广义中断）/中断和异常的分类

中断（广义中断）/中断和异常=中断（狭义中断；外中断）+异常/例外/陷入（内中断）
外中断（硬件中断）=可屏蔽中断+不可屏蔽中断
内中断（不可屏蔽中断）=故障+自陷（软件中断）+终止（硬件中断）

或：

外中断=外设请求（如I/O操作完成）+人工干预（如用户强行终止进程）
内中断=自愿中断+强迫中断
自愿中断，指令中断（如系统调用时使用陷入/访管/Trap指令）
强迫中断=硬件故障（如缺页）+软件中断（如整数除以0）

系统调用的分类（按功能）

进程控制
进程通信
内存管理
文件管理
设备管理

用户态切换为内核态的常见原因/关键词

大部分与中断和异常有关：

时钟中断
I/O处理
非法操作码（如整数除以零）
地址越界
运算溢出
虚拟内存系统的缺页处理
陷入指令
系统调用

操作系统的体系结构/内核架构

宏内核/单内核/大内核
微内核
混合内核（相对于纯粹宏内核、微内核的概念）

基于宏内核的有：Windows，Linux，macOS，Android、iOS等。
基于微内核的有：Fuchsia，鸿蒙OS等。
注意：目前主流的操作系统大多基于混合内核。

基于微内核架构操作系统的组成及功能

操作系统=微内核+若干服务器（进程）

服务器进程、客户（机）进程运行在用户态，通过微内核在内核态提供的消息传递机制实现交互。

微内核的功能

与硬件处理紧密相关的部分
一些较基本的功能
客户（机）和服务器之间的通信

或：

进程（线程）管理
低级存储器管理
中断和陷入处理

服务器（进程）的功能

进程（线程）管理
存储器管理
文件管理
设备管理
…

微内核架构采用“机制+策略分离”原理构造操作系统：
将进程、存储器、文件和设备管理等功能一分为二，属于“机制”的小部分放在微内核，如进程调度机制；属于“策略”的大部分放在服务器（进程），如进程调度策略。

宏内核的优、缺点

优点：高性能。

缺点：代码庞大，结构复杂、混乱，维护困难。

微内核的优、缺点

优点：代码微小，结构清晰，维护简单。

扩展性和灵活性
可靠性和安全性
可移植性
分布式计算

缺点：低性能（因为需要频繁在内核态和用户态之间切换）。

虚拟机管理程序的类型

第一类虚拟机管理程序。裸金属架构，类比系统软件/操作系统，向上层提供若干虚拟机

注意：
虚拟机（进程）运行在用户态。
虚拟机中的操作系统（进程）认为自身运行在内核态（虚拟内核态），实际运行在用户态。
虚拟机中的用户（进程）运行在用户态。

第二类虚拟机管理程序。寄居架构，类比应用软件，如VMware Workstation

操作系统的设计方式

分层法
模块化
内核架构（宏内核，微内核，混合内核）
虚拟化技术（两类虚拟机管理程序，虚拟机）
分区（分配资源）
外核（一种为虚拟机分配资源的程序，运行在内核态）
…

操作系统的引导过程

激活中央处理器（CPU）：激活的中央处理器（CPU）读取只读存储器（ROM）中的引导（boot）程序，执行基本输入/输出系统（BIOS）的指令——引导/自举程序
硬件自检：有故障中止启动，无故障正常启动
加载存储设备（硬盘等）的相关内容：基本输入/输出系统（BIOS）获取启动顺序，基本输入/输出系统（BIOS）根据启动顺序将控制权转移给相关硬盘，中央处理器（CPU）根据启动顺序将硬盘中引导扇区的内容加载到主存储器（MM）中——硬盘/可引导盘
加载主引导记录（MBR）
加载活动分区：主引导记录（MBR）扫描硬盘分区表，识别并加载活动分区——分区/活动分区
加载分区引导记录（PBR）——扇区
加载启动管理器（引导操作系统的程序）：分区引导记录（PBR）识别并加载启动管理器——根目录、启动管理器（引导操作系统的程序）
加载操作系统

硬盘=若干分区。
分区=若干扇区。
扇区=若干目录、文件/程序。

硬盘=引导盘+非引导盘。需要识别并加载可引导盘。
分区=活动分区+非活动分区。需要识别并加载活动分区：通过主引导记录（MBR）中的硬盘分区表。
活动分区的第一个扇区是分区引导记录（PBR）。需要识别并加载第一个扇区
第一个扇区的根目录保存有启动管理器（引导操作系统的程序）。需要识别（并加载）根目录、启动管理器（引导操作系统的程序）：通过分区引导记录（PBR）

或按照识别（并加载）的过程：