概念、特徵、系統調用、中斷
操作系統基本概念
- 操作系統是指控制和管理整個計算機系統的硬件和軟件資源，併合理的組織調度計算機的工作和資源的分配，以提供給用戶和其他軟件方便的接口和環境。它是計算機系統的最基本的系統軟件。
- 也是系統軟硬資源的管理控制中心，它以儘量合理有效的方法組織多個用戶（進程）共享計算機的各種資源並提供使用接口。
操作系統的四個特徵：
1. 併發：
併發是指宏觀上在一段時間內能同時運行多個程序，而並行則指同一時刻能運行多個指令。並行需要硬件支持，如多流水線、多核處理器或者分佈式計算系統；操作系統通過引入進程和線程，使得程序能夠併發運行。
2. 虛擬：
虛擬技術把一個物理實體轉換爲多個邏輯實體。主要有兩種虛擬技術：時分複用技術和空分複用技術。
3. 共享：
共享是指系統中的資源可以被多個併發進程共同使用；有兩種共享方式：互斥共享和同時共享。
互斥共享的資源稱爲臨界資源，例如打印機等，在同一時間只允許一個進程訪問，需要用同步機制來實現對臨界資源的訪問。
4. 異步：
異步指進程不是一次性執行完畢，而是走走停停，以不可知的速度向前推進
操作系統的基本功能：
- 進程管理(進程控制、進程同步、進程通信、死鎖處理、處理機調度等)
- 內存管理(內存分配、地址映射、內存保護與共享、虛擬內存等)
- 文件管理(文件存儲空間的管理、目錄管理、文件讀寫管理和保護等)
- 設備管理(緩衝管理、設備分配、設備處理、虛擬設備等)
系統調用：
如果一個進程在用戶態需要使用內核態的功能，就進行系統調用從而陷入內核，由操作系統代爲完成。
Linux 的系統調用主要有以下這些：
| Task | Commands |
|---|---|
| 進程控制 | fork(); exit(); wait(); |
| 進程通信 | pipe(); shmget(); mmap(); |
| 文件操作 | open(); read(); write(); |
| 設備操作 | ioctl(); read(); write(); |
| 信息維護 | getpid(); alarm(); sleep(); |
| 安全 | chmod(); umask(); chown(); |
操作系統的運行機制：
- 兩種指令：特權指令和非特權指令
- 兩種處理狀態：核心態（管態）和用戶態（目態）
- 兩種程序：內核程序（運行在覈心態）和應用程序（運行在用戶態）
特權指令：只能由操作系統使用、用戶程序不能使用。例如：啓動I/O，內存清零，修改程序狀態字，設置時鐘，允許／禁止中斷，停機
非特權指令：用戶程序可以使用。例如：控制轉移，算術運算，訪管指令，取數指令
特權指令只能在核心態下運行，內核程序只能在核心態下運行。
內核：
-
大內核：將操作系統的主要功能都作爲系統內核，運行在覈心態。
缺點：由於各模塊共享信息，因此有很高的性能，但是結構混亂，難以維護。 -
微內核：由於操作系統不斷複雜，因此將一部分操作系統功能移出內核，從而降低內核的複雜性。移出的部分根據分層的原則劃分成若干服務，相互獨立。
在微內核結構下，操作系統被劃分成小的、定義良好的模塊，只有微內核這一個模塊運行在內核態，其餘模塊運行在用戶態。
因爲需要頻繁地在用戶態和核心態之間進行切換，所以會有一定的性能損失。
中斷：
分類：
-
外中斷: 由 CPU 執行指令以外的事件引起，如I/O完成中斷，表示設備輸入/輸出處理已經完成，處理器能夠發送下一個輸入/輸出請求。此外還有時鐘中斷、控制檯中斷等。
-
內中斷: ①異常: 由 CPU 執行指令的內部事件引起，如非法操作碼、地址越界、算術溢出等。②陷入: 在用戶程序中使用系統調用。
用戶態與核心態的轉換：
- 中斷是實現用戶態到核心態的唯一途徑。
- 核心態到用戶態的切換是通過執行一個特權指令，將程序狀態字(PSW)的標誌位設爲 “用戶態”。