1.操作系统概述
1.1什么是操作系统
1.1.1定义
操作系统(Operation System，简称OS)是管理计算机硬件与软件资源的计算机程序。操作系统需要处理如管理与配置内存、决定系统资源供需的优先次序、控制输入设备与输出设备、操作网络与管理文件系统等基本事务。
操作系统是一个可以管理CPU、内存和各种外设，并管理和服务应用软件的软件
1.1.2功能
程序管理、资源管理、设备管理、文件管理
承上启下：连接底层的硬件与上层的软件
资源包含内置的CPU及外设。
操作系统将CPU抽象为进程、磁盘抽象为文件、内存抽象为地址空间。
1.1.3组成
CPU
每个 CPU 都有一组可以执行的特定指令集。因此，x86 的 CPU 不能执行 ARM 的程序并且 ARM 的 CPU 也不能执行 x86 的程序。由于访问内存获取执行或数据要比执行指令花费的时间长，因此所有的 CPU 内部都会包含一些寄存器来保存关键变量和临时结果。
内存
多线程不会提供真正的并行处理。在一个时刻只有一个进程在运行。
存储器系统采用一种分层次的结构，顶层的存储器速度最高，但是容量最小，成本非常高，层级结构越向下，其访问效率越慢，容量越大，但是造价也就越便宜。
存储器的顶层是 CPU 中的寄存器，访问时间最短，但是容量最小。
位于寄存器下面的是高速缓存，主存被分割成高速缓存行(cache lines)为64字节，使用最频繁的高速缓存行保存在位于 CPU 内部或非常靠近 CPU 的高速缓存中。
随机存储器（RAM）：内存中最重要的一种，也叫主存，是与CPU直接交换数据的内部存储器。它可以随时读写（刷新时除外），而且速度很快，通常作为操作系统或其他正在运行中的程序的临时数据存储介质。RAM工作时可以随时从任何一个指定的地址写入（存入）或读出（取出）信息。它与ROM的最大区别是数据的易失性，即一旦断电所存储的数据将随之丢失。RAM在计算机和数字系统中用来暂时存储程序、数据和中间结果。
现代 CPU 设计了两种缓存。第一级缓存或者说是 L1 cache 总是位于 CPU 内部，用来将已解码的指令调入 CPU 的执行引擎。对于那些频繁使用的关键字，多数芯片有第二个 L1 cache 。典型的 L1 cache 的大小为 16 KB。另外，往往还设有二级缓存，也就是 L2 cache，用来存放最近使用过的关键字，一般是兆字节为单位。L1 cache 和 L2 cache 最大的不同在于是否存在延迟。访问 L1 cache 没有任何的延迟，然而访问 L2 cache 会有 1 - 2 个时钟周期的延后。
在上面的层次结构中再下一层是主存，这是内存系统的主力军，主存通常叫做 RAM(Random Access Memory)
除了主存之外，许多计算机还具有少量的非易失性随机存取存储器。它们与 RAM 不同，在电源断电后，非易失性随机访问存储器并不会丢失内容。ROM(Read Only Memory) 中的内容一旦存储后就不会再被修改。它非常快而且便宜。
ROM (Read Only Memory)：只读存储器是一种半导体存储器，其特性是一旦存储数据就无法改变或删除，且内容不会因为电源关闭而消失。在电子或电脑系统中，通常用以存储不需经常变更的程序或数据。
下一个层次是磁盘(硬盘)
固态硬盘(Solid State Disk, SSD)不是磁盘
外设
任何复杂的东西都可以加一层代理来解决，这是计算机或者人类社会很普世的一个解决方案
每种类型的设备控制器都是不同的，所以需要不同的软件进行控制。专门与控制器进行信息交流，发出命令处理指令接收响应的软件，称为 设备驱动程序(device driver)。
1.1.4类别
操作系统位于应用软件之下，为应用软件提供服务支持。
面向外部称为：Shell(外壳)（如GUI、命令行）
面向内部称为：Kernel(内核)
KERNEL是研究重心，位于外壳之下。
1.1.4.1Kernel–操作系统内部组件
主要包括：
CPU调度器
物理内存管理
虚拟内存管理
文件系统管理
中断管理与设备驱动
1.1.5OS Kernel的特征
1.并发
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
并发与并行的区别
并发：一段时间，多个程序同时运行
并行：一个时间点
2.共享
“同时”访问
互斥共享
同时共享
3.虚拟
利用多道程序设计技术，让每个用户都觉得有一个计算机专门为他服务
4.异步
程序的执行不是一贯到底的，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需要保证程序运行的结果也相同
1.2为什么学习系统
1.2.1综合课程–结合许多不同的课堂
*程序设计语言
*数据结构
*算法
*计算机体系结构
*材料
*操作系统概念和原理，源代码
*技能
*操作系统的设计和实现
1.2.2为什么要学习操作系统
1.2.2.1需求
操作系统在不停发展中，在工控等领域有强烈的需求
操作系统代码必须可靠、高效
操作系统出错，所造成的损失很大
操作系统是系统安全的基础
1.2.2.2作用
操作系统很酷，很有用，很有挑战，能力提升
挑战性：
代码量大，目标是要掌握核心
操作系统管理并发
操作系统代码管理的是硬件
良好的硬件管理
合理的资源分配
了解工作原理
操作系统需要权衡：
空间与时间
性能和可预测性
公平和性能
1.2.2.3重要性
计算机科学研究的基石之一
计算机系统的基本组成部分
由硬件的发展和应用需求所驱动
1.2.2.4学术和工业的持续推进
1.3如何学习操作系统
了解概念与原理
实践：阅读代码
具体取决于自己的需要
1.4操作系统实例
UNIX家族：FreeBSD、NetBSD、OpenBSD、Mac OS等
了解更多：Unix History
Linux家族
了解更多：linux 版本家族
Windows家族
具体应用：分析气象、工控领域等系统
1.5操作系统的历史
持续的发展：
晶体管、CPU、硬件、外设、网络的研发和发展
早期计算机使用纸带传输程序和数据，操作系统只起到加载的作用
由顺序处理到多程序处理
为了更好地利用计算机资源，并更好的与用户进行交互，出现了分时系统
个人电脑操作系统的出现
多核多处理
云端操作
1.5.1演变
主机性运算–>个人机计算–>网络计算–>普适计算（云计算、移动计算）
1.6操作系统结构
(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
VMM(虚拟机监控器)，也称为管理程序，虚拟出所有的硬件资源。