最近深感自己操作系统的基础不够扎实（学过的内容全还给老师了），所以就回笼重新学了一遍，这个系列也就是我在学习过程中做的一些笔记。我主要是根据清华大学的操作系统视频课程来学习的。在这里不得不感慨一下，B站真是个神奇的地方，居然有人把这门课的视频都整理好了：
https://www.bilibili.com/video/av6538245（以概念、原理讲解为主）
https://www.bilibili.com/video/av10496140（有比较详细的实验讲解）
上面两个视频，其实就是一门课，只是不同的老师在讲。
实验环境：https://www.shiyanlou.com/courses/221
因为我是为了补充自己在基础知识上的不足，所以并没有做实验。
另外，在写笔记的过程中，也搬运了一些其他博客的内容，有些地方没有标注来源，如果原创作者觉得有任何问题都可以联系我。
第一章 课程概述
1、什么是操作系统
从用户、控制的角度，操作系统是个控制软件，管理应用程序、为应用程序提供服务、杀死应用程序。从资源分配的角度来说，操作系统进行资源管理、管理各种外设、对资源进行分配。操作系统将物力资源进行抽象：CPU抽象成进程、磁盘抽象成文件、内存抽象成地址空间提供给应用程序使用。
2、操作系统层次结构
硬件之上、应用程序之下。是个中间层的系统软件。
操作系统位于应用软件之下、为应用软件提供服务支撑，完成对硬件的管理。
操作系统有两层对外的接口：对外暴露的接口外壳（Shell），和面向内部的内核（Kernel）。
3、操作系统的内核
Kernel-操作系统内部组件，包括：CPU调度、物理内存管理、虚拟内存管理（给上层应用提供相对独立而且尽可能大的内存）、文件系统管理（存储和访问永久保存的数据）、中断处理与设备驱动（和底层设备直接打交道）等。
4、操作系统（OS 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。注意区分并发和并行。并发指的是在一段时间内有多个程序可以运行。并行指的是在一个时间点上有多个程序可以同时执行。“一段时间”和“一个时间点”的区别。要实现并行，一般要求有多个CPU。单核CPU无法实现并行。
（2）共享。多个应用程序在宏观上可以“同时”访问内存、I/O等资源，但在内部可能是互斥的（同一个时间点，某些资源只能由一个程序使用）。
（3）虚拟。利用多道程序设计技术，把一台物理机器虚拟成多台虚拟机器。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，而是走走停停的，向前推进的速度不可预知，取决于系统的管理。但只要运行环境相同，OS需要保证程序运行的结果也要相同。
5、操作系统的结构的发展演变
（1）简单操作系统：MS-DOS（1981-1994）不分块的单体内核
（2）微内核的设计，尽可能把内核的功能移到用户空间。应用的服务通过消息传递机制的松耦合方式进行交互。产业界用得比较少。
（3）VMM，虚拟机监控器。从操作系统-硬件变为操作系统-VMM-硬件。多操作系统共享硬件资源。
6、总结
课程概述、什么是操作系统、为什么学习操作系统、操作系统实例、操作系统的演变、操作系统的结构。
第二章 启动、中断、异常、系统调用
一、启动
操作系统一开始是放在DISK（硬盘）中，并不是放在内存中。
BIOS：基本I/O处理系统。内存中有一部分空间（固定的）是用来存放BIOS的。
以X86为例：
1. X86 PC开机时，CPU处于实模式，这时候内存的计算方式是 段基址 <<4 + 段内偏移；
2. CPU的第一条指令是通过CS：IP来取得，而此时CS=0xFFFF，IP=0x0000。这是硬件设定好的。
3. 所以最开始执行的指令地址就是0xFFFF0，放在这里的是个跳转指令，调到系统BIOS中真正的启动代码处：主板的BIOS ROM（只读存储区）中。
4. 系统BIOS的启动代码首先进行加电自检（POST，Power-On Self Test），检测系统中的一些关键设备是否存在和能否正常工作，例如内存和显卡等。
5. 寻找显卡的BIOS。
6. 将BootLoader加载到内存中。BootLoader一般放在硬盘的第一个主引导扇区，也就是磁盘0磁道0扇区（一般512个字节）。比如在X86中，BIOS将BootLoader加载在0x7cdd。
7. 之后BootLoader将操作系统的代码和数据从硬盘加载到内存中。
完成上述操作后，跳转到操作系统的起始地址，将计算机系统的硬件管理交给OS。
二、操作系统与设备的程序交互
为什么应用程序不能直接访问外设，而必须通过操作系统？
（1）在计算机运行中，内核是被信任的第三方，而应用程序不是，如果直接访问外设，可能带来安全问题。
（2）只有内核可以执行特权指令。
（3）为了方便应用程序，给应用程序提供简洁的接口。
1、系统调用
定义：应用程序主动向操作系统发出服务请求，来源于应用程序。异步或同步。应用程序知道它什么时候会发出系统调用请求，所以发出请求是同步的，但应用程序不知道操作系统什么时候会返回一个结果，因此是异步的。应用程序需要等待系统调用的响应，之后才能继续执行。
2、异常
定义：非法指令或者其他坏的处理状态（来源于不良的应用程序的操作引发的事件），如内存出错等。是个同步事件，指的是应用程序可以知道这件事情什么时候会发生，比如除以0，一定会产生个异常。响应状态：杀死或重新执行意想不到的应用程序指令。
3、中断
定义：来自不同的硬件设备的计时器和网络的中断（来源于外设，键盘、鼠标、网卡等，产生各种事件）。是个异步事件，应用程序不知道什么时候会发生这件事。响应状态：中断对应用程序是透明的。
三、中断、异常、系统调用处理机制
1、中断
每种中断有个特定的编号（比如不同的外设会有不同的编号），收到中断后，CPU去访问中断表，在表中查到对应的中断服务程序的地址，从相应的地址去执行。
具体是通过硬件和软件两部分来执行的
硬件：
（1）设置中断标记[CPU初始化]。外设产生一个标记，发给CPU。CPU根据这个标记产生一个中断号，将中断号发给操作系统。
软件：
（1）操作系统保存当前处理状态（当前执行的指令的地址和当前一些寄存器的内容）。
（2）操作系统根据CPU给的中断号，访问中断服务程序，对中断进行处理。
（3）处理完后，清除中断标记。
（4）恢复之前保存的处理状态。
因此，上面的过程对应用程序是透明的。
2、异常
应用程序执行特定的指令会触发异常，CPU得到异常ID号。首先保存现场，然后根据异常ID号进行处理。可能会杀死应用程序，也有可能进行弥补后，恢复现场，重新执行。
3、系统调用
应用程序通过接口来对操作系统的服务进行请求。比如在标准C库中，应用程序调用printf()，会触发系统调用write()。操作系统完成请求后，会返回成功或失败，让应用程序继续执行后续工作。应用程序访问主要是通过高层次的API接口，而不是直接进行系统调用。比如Win32 API用于Windows，POSIX API用于POSIX-based systems，包括Linux、Unix、Mac OS X的所有版本。Java API用于Java虚拟机等。
系统调用的实现：应用程序直接或间接通过一个library（库）访问系统调用接口，一旦访问之后，会触发操作系统从用户态到内核态的转换，控制权从应用程序交到操作系统手中。操作系统对系统调用进行识别，并进行需要的服务。
用户态：CPU执行的特权级比较低，不能直接访问一些特殊的机器指令和I/O。
内核态：CPU可以执行任何指令，包括特殊的机器指令和I/O。此时操作系统可以完全控制整个计算机系统。
系统调用和函数调用的区别：
（1）应用程序发出函数调用时，在一个栈空间里进行函数间参数传递和参数的返回。
（2）发出系统调用时，应用程序和操作系统拥有各自的堆栈。当应用程序发出系统调用时，需要切换堆栈，并触发操作系统从用户态到内核态的转换。因此系统调用的开销比函数调用大很多。系统调用的好处就是安全、可靠。
四、跨越操作系统边界的开销
上述的中断、异常、系统调用，跨越了操作系统的边界。有一定的代价，这代价是为了确保系统能安全可靠的运行。在执行时间上的开销超过程序调用（前面提到了）。
开销：
（1）建立中断、异常、系统调用号与对应服务例程映射关系的初始化开销。这个表要在操作系统正常工作之前就建好。
（2）维护操作系统自己的内核堆栈。这个内核堆栈在操作系统开始工作之前就要建立好，操作系统退出的时候保存，执行的时候恢复。应用程序堆栈的保存和恢复，因此也要进行维护。
（3）验证参数。操作系统不信任应用程序，需要对系统调用参数进行检查（安全上的时间开销）。
（4）内核态映射到用户态的地址空间。
（5）内核态独立地址空间TLB。
这些开销都是值得的，必须的，为了保证操作系统在安全可靠的环境中执行。