Introduction to Operating System

操作系统简介

操作系统是什么：操作硬件，并为其他所有软件提供运行环境的软件。操作系统运行在裸机上。

操作系统的作用：

多道程序设计单个程序运行时，常常出现CPU因等待I/O操作完成而处于闲置状态的情况。为了提高硬件的利用率，在操作系统中同时运行多个程序使得CPU能够得到充分利用。
分时系统由于批处理系统在集中完成所有作业后才反馈结果，整个过程花费较长时间，而用户希望在提交作业后得到即时的反馈，这种需求导致了分时系统的出现。分时系统将CPU轮流分配给各个作业使用，使得用户能够交互式地使用计算机进行工作。

软件运行模式
- 内核态：具有对所有硬件的操作权限，可以执行机器提供的所有指令。操作系统运行在内核态。
- 用户态：权限受限，只能使用部分机器指令，可以对硬件执行的操作有限。
进程：进程是对运行中的程序的抽象，进程的存在使得操作系统能够同时运行多个程序并管理它们的运行。
地址空间：地址空间是对内存的抽象。通过引入地址空间，操作系统能够隔离不同的进程，并对进程以及操作系统本身进行保护。
文件：操作系统隐藏了硬盘和其他I/O设备的细节，向用户提供了一个独立于设备的抽象模型——文件，使得用户能够以简单且一致的方式对数据进行管理。
系统调用：通过系统调用，用户程序得以使用操作系统内核所提供的服务。系统调用通常需要一个TRAP指令触发，TRAP指令会把用户程序的运行模式从用户态切换为内核态。
引导(booting)：引导是启动计算机的过程。当打开计算机的电源时，一个单独的、小型的程序自动运行。这个程序启动另一个更复杂的程序，然后逐步递进。最终，操作系统内核（一个高度复杂的程序）接过控制，完成初始化过程。引导的思想就是一步步地从简单到复杂。

单体系统：整个操作系统以过程集合的方式编写，链接成一个大型可执行二进制程序。单体系统的可靠性较差，因为任何一个过程的崩溃都会连累整个系统。
层次式系统：以层次式结构组织操作系统，上层软件都是在下一层软件的基础之上构建的。层次式结构逐层抽象了许多底层细节，因此改善了操作系统代码的可维护性。
微内核：在内核中只保留操作系统的核心功能，其余的功能被划分到其他模块。系统运行时，只有微内核运行在内核态，其余部分都作为用户态的进程运行。微内核结构减少了内核代码的复杂度，降低了因内核中的错误导致系统崩溃的可能性，因此提高了系统的可靠性。