本篇部落格是考研期間學習王道課程 傳送門 的筆記，以及一整年裡對作業系統
知識點的了解的總結。希望對新一屆的計算機考研人提供幫助！！！
關于對 “計算機概述” 章節知識點總結的十分全面，涵括了《作業系統》課程裡的全部要點（本人來來回回過了三遍視訊），其中還陸陸續續補充了許多内容，是以讀者可以相信本篇部落格對于考研作業系統 “計算機概述” 章節知識點的正确性與全面性；但如果還有自主命題的學校，還需額外讀者自行再觀看對應學校的自主命題材料。
食用說明書：
第一遍學習王道課程時，我的筆記隻有标題和截圖，後來複習發現看隻看圖檔，并不能很快的了解截圖中要重點表達的知識點。
在第二遍複習中，我給每一張截圖中 标記了重點，以及 每張圖檔上方總結了該圖檔 對應的知識點 以及自己的 思考 。
最後第三遍，查漏補缺。
是以 ，我把目錄放在部落格的前面，就是希望讀者可以結合目錄結構去更好的學習知識點，之後沖刺複習階段腦海裡可以浮現出該知識結構，做到對每一個知識點熟稔于心！
請讀者放心！目錄展示的知識點結構是十分合理的，可以放心使用該結構去記憶學習！
注意(⊙o⊙)！，每張圖檔上面的文字，都是該圖對應的知識點總結，友善讀者更快了解圖檔内容。
《作業系統》第1章 計算機系統概述
【考綱内容】王道 P13 ~ 47
(一) 作業系統的基本概念
(二) 作業系統的發展曆程
(三) 程式運作環境
(四) 作業系統結構
- CPU運作模式：核心模式 與 使用者模式；
- 中斷和異常的處理：系統調用；
- 程式的連結與裝入
- 程式運作時記憶體映像與位址空間
- 分層、子產品化、宏核心、微核心、外核
(五) 作業系統引導
(六) 虛拟機
【複習提示】
本章通常以 選擇題 的形式考察，重點考察 作業系統的功能、運作環境和提供的服務；
要求讀者從 宏觀上把握 作業系統各部分的功能，微觀上掌握細微的知識點；
是以，複習作業系統是，首先要形成一個大體 架構， 并通過反複複習和做題鞏固知識體系，然後将所有内容串成一個整體；
本章主要讓讀者 初步認識作業系統，有助于後面的學習；
1.1 作業系統的基本概述
1.1.1 作業系統的概念
1. 作業系統的定義（管家、排程、橋梁）
- 作業系統是系統資源的管理者；
- 作業系統要向上提供友善易用的服務；
作業系統是最接近硬體的一層軟體；
課本原始定義：作業系統是一組 控制和管理 計算機軟硬體資源，合理地 組織 多道程式的運作，友善 使用者使用的程式的集合；
2. 作業系統的功能和目标
(1) 作為系統資源的管理者
提供的功能：
- 處理機管理
- 存儲器管理
- 檔案管理
- 裝置管理
(2) 向上層提供友善易用的服務
作業系統提供簡單、易用的 互動接口 是一種很好的封裝思想；
作業系統提供的接口主要分為兩類：
- ==指令接口（聯機、脫機指令接口），==使用者利用這些操作指令來組織和控制作業的執行；
- ==程式接口，==變成人員使用它們來請求作業系統服務；
接下來看看作業系統提供的哪些服務：
① GUI接口
GUI最終是通過調用 程式接口 實作的
② 聯機指令接口 = 互動式指令接口
③ 脫機指令接口 = 批處理指令接口
==④ 程式接口：==由一組 ==系統調用（廣義指令）==組成；
使用者在程式中使用這些 系統調用 來請求作業系統為其提供服務；
作業系統 向上層提供了 各類不同的服務
(3) 作為最接近硬體的層次
作業系統需要實作 對硬體機器的拓展 ；
實質：整合資源、功能拓展
小結
1.1.2 作業系統的基本特征
并發、共享、虛拟、異步 是作業系統的 基本特征；
1.2 作業系統發展曆程 介紹的各類作業系統都有獨特的特征：
- 批處理系統有着高的 資源使用率 和 系統吞吐量；
- 分時系統能 及時響應；
- 實時系統具有 實時特征；
1. 并發
并發 vs 并行
作業系統的并發性
2. 共享
并發性 與 共享性 互為存在條件
3. 虛拟
eg：虛拟存儲器技術 - 空間複用技術
eg：虛拟處理器技術 - 時分複用技術
沒有并發性，實作虛拟性就沒有意義
4. 異步
小結
1.2 作業系統發展曆程
1. 手工操作階段
缺點：
- 使用者獨占全機；
- CPU等待手工操作，人機速度差異，導緻CPU使用率極低
2. 批處理階段
單道批處理系統
主要特征：自動性、順序性、單道性
優點：一定程度緩解人機速度沖突；（作業的輸入輸出過程所占的比例下降了）
缺點：記憶體中僅能有一道程式運作，CPU經常等待I/O，導緻CPU使用率低；
多道批處理系統
主要特征：多道、宏觀上并行、微觀上串行
多道程式設計技術的實作遇到解決的問題（後續學習中會一一介紹）：
優點：
- 如何配置設定處理器；
- 多道程式的記憶體配置設定問題；
- I/O裝置如何配置設定；
- 如何組織和存放大量的程式和資料，以友善使用者使用并保證其安全性與一緻性；
缺點：
- ==資源使用率高，==多道程式共享計算機資源；
- ==系統吞吐量大，==CPU和其它資源保持“忙碌”狀态；
- 使用者響應的時間較長；
- 沒有人機互動功能；
3. 分時作業系統
分時：計算機按 時間片輪轉 給各個使用者提供服務；
特征：同時性、互動性、獨立性、及時性；
優點：使用者請求可以被即時響應，解決了 人機互動 問題；
缺點：不能優先處理一些緊急任務（每個使用者的優先級是相同的）；
4. 實時作業系統
優點：能 優先響應 一些緊急任務；
硬實時系統：必須嚴格響應處理；
軟實時系統：較短時間内及時的響應處理；
5. 其它作業系統
大緻了解即可
小結
1.3 作業系統運作環境
1.3.1 作業系統的運作機制
預備知識：認識程式在計算機内是如何運作的？
答：C語言代碼（進階語言） 被編譯器翻譯成對應的 ==機器指令，==這些指令是 ==二進制機器指令，==是CPU能識别、執行的最基本指令；
1. 核心程式 vs 應用程式
CPU執行的程式分為兩種：作業系統核心程式、使用者程式；
核心 是作業系統最基礎、核心的那部分；
2. 特權指令 vs 非特權指令
核心程式，在計算機中的地位充當 ==管理程式，==是以可以執行 特權指令；
使用者程式，在計算機中的地位充當 ==被管理程式，==出于安全考慮隻能執行 非特權指令；
3. 核心态 vs 使用者态
【問題】CPU可以區分 特權指令 和 ==非特權指令，==但是CPU無法識别正在執行的指令是 應用程式 的指令，還是 核心程式 的指令；
答：為了讓CPU能夠區分 應用程式 和 ==核心程式，==CPU會被劃分為兩種狀态：核心态 和 使用者态
核心态 - 核心程式 - 可以執行特權指令；
- 對 I/O 裝置操作指令、有關通路程式狀态的指令、存取特殊寄存器指令、其它……
使用者态 - 應用程式 - 隻能執行非特權指令；
CPU使用 程式狀态字寄存器（PSW） 實作對CPU狀态的标記；
==如何變态：==核心态 與 使用者态 互相切換，所要完成的操作
小結
補充
具體内容檢視 ==王道課程 P16 和 1.4 作業系統體系結構，==這裡就簡單介紹 以上面介紹的4個部分可知，核心态指令包括：系統調用類指令、針對時鐘、中斷 和 原語 的操作指令
- ① 時鐘管理
- ② 中斷機制
- ③ 原語
- ④ 系統控制的資料結構及處理（操作）
1.3.2 中斷和異常的概念
1. 中斷的作用
中斷的作用：使CPU由 使用者态 變為 ==核心态，==讓作業系統重新奪回對CPU的控制權；
2. 中斷的類型
① 内中斷
例子1：CPU在 使用者态 下執行特權指令，觸發中斷；
例子2：CPU執行非特權指令，也有可能引發中斷，例如除0操作；
例子3：應用程式想要請求核心的服務，會執行 ==陷入指令，==這個指令也會引發一個内部中斷信号；
② 外中斷
例子1：由外部 時鐘部件 向CPU發送中斷信号；
例子2：I/O中斷，由輸入/輸出裝置發來的中斷信号；
- CPU使用者态，處理應用程式1；
- 過了50ms，時間部件到時間了，就會給CPU發送一個時鐘中斷信号；
- CPU收到中斷信号，暫停應用程式1，立馬轉為核心态，去進行中斷；
- 核心程式 發現 應用程式1 已經工作了50ms，就會把CPU使用權交給 應用程式2，之後切換回使用者态；
- 如此往複，直到運作結束……
中斷的具體分類
外中斷可分為 可屏蔽中斷（時鐘中斷、I/O中斷請求） 和 不可屏蔽中斷（硬體故障、停電）；
==軟體中斷：==故障異常 和 自陷異常；
==硬體中斷：==終止異常 和 外部中斷；
3. 中斷機制的基本原理
小結
1.3.3 系統調用
1. 什麼是系統調用 ？
2. 系統調用與庫函數的差別
3. 為什麼系統調用是必須的 ？
4. 什麼功能要用到系統調用 ？
凡是與 共享資源 有關的操作，都必須通過 系統調用 的方式向 作業系統核心 提出服務請求；
5. 系統調用的過程
一個應用程式運作在 ==使用者态，==那麼它的指令會CPU被一條條執行；
當他想發出 系統調用 的時候，他需要 傳參指令 給CPU的寄存器傳入某個參數，這個參數指明要進行哪種系統調用；
傳參指令可能多條，主要看需要的 系統調用 要求幾個參數；
當參數都傳入寄存器之後，使用者程式就會執行 ==陷入指令，==這個陷入指令得到執行會引發一個内中斷；
CPU檢測到内部中斷，發現這個内中斷是由 trap指令 引起的，就會暫停處理應用程式，轉入 相應的 中斷處理程式；
CPU轉為核心态，處理 ==系統調用入口程式，==根據參數判斷需要哪種系統調用；
對應 系統調用的處理程式 根據傳入的其它參數，看看使用者程式需要哪些具體服務；
系統調用處理完，CPU切換為使用者态，繼續之前的使用者程式；
注意下圖中箭頭，好好了解系統調用的過程
小結
1.4 作業系統體系結構
1. 作業系統的核心
2. 大核心 vs 微核心
【注意】
核心、非核心 分别運作在 核心态、使用者态， 會對系統的性能造成影響，因為 變态 需要消耗時間
- 作業系統 核心 需要運作在 核心态
- 作業系統的 非核心 功能運作在 使用者态
注意下面兩種核心的變态次數
每一次應用程式請求核心的服務，都需要CPU進行 ==變态，==但變态是需要花費時間的；是以頻繁變态，會降低系統性能
3. 分層結構
每一層隻能調用 更低、相鄰 的那一層提供的功能接口；
4. 子產品化
将作業系統分成多個子產品，各子產品之間協調工作
核心 = 主子產品（eg：程序管理子產品、記憶體管理子產品）+ 可加載核心子產品（eg：驅動程式）
5. 外核
小結
==這張圖非常、非常重要，==其中 标⭐号 的是重點
1.5 作業系統引導
1. 磁盤裡面有哪些相關資料 ？
2. 作業系統引導（開機過程）
作業系統要啟動運作，作業系統的資料就需要被放進 主存 裡面；
計算機的主存，由 RAM 和 ROM 組成；
ROM存儲晶片裡存儲BIOS（基本輸入輸出系統），BIOS裡包含 ROM引導程式
執行ROM引導程式，它會訓示CPU去把 主引導記錄 讀入記憶體，CPU再去執行記憶體的 磁盤引導程式
磁盤引導程式會根據 分區表 去找到C槽的位置，之後CPU讀入C槽的 引導記錄PBR
PBR本身也是一種程式，CPU就執行PBR裡的程式，PBR程式的主要作用就是找到 啟動管理器
啟動管理器是在 根目錄 裡的一個程式，找到啟動管理器，CPU運作它，就開始了作業系統初始化的一系列操作
1.6 虛拟機
虛拟機 大機率以選擇題形式考察，主要考察 兩類VMM的對比
==1. 傳統計算機：==一個機器上隻能運作一個作業系統；
2. 虛拟機 + 虛拟機管理程式
第一類VMM，直接運作在硬體上。
對硬體資源進行劃分，分給各個作業系統：單核CPU按照時間片劃分、記憶體和磁盤直接按空間劃分即可；
隻有VMM是運作在 ==核心空間，==各個作業系統在 ==使用者空間。==不過對于各個作業系統來說，他們自己認為自己在核心空間，當作業系統想進行某個特權指令時，發出的特權指令會被VMM截獲，VMM對該特權指令進行模拟轉換，來滿足作業系統的要求；
第二類VMM，運作在宿主作業系統上。
在主作業系統上，套娃運作一個 客戶作業系統
當VMM要給客戶作業系統配置設定資源時，隻能請求主作業系統配置設定資源，再由VMM自己去配置設定資源；
兩類虛拟機管理程式（VMM）的對比 ⭐
常見的虛拟機軟體
近幾年，對于CPU的特權指令，細分成不同級别的特權指令
1.7 常見問題和易混淆知識點
1. 并行性與并發性的差別和聯系
并行性和并發性是既相似又有差別的兩個概念。
并行性是指兩個或多個事件在同一時刻發生，并發性是指兩個或多個事件在同一時間間隔内發生。
在多道程式環境下，并發性是指在一段時間内，宏觀上有多個程式同時運作，但在單處理器系統中每個時刻卻僅能有一道程式執行，是以微觀上這些程式隻能分時地交替執行。
若在計算機系統中有多個處理器，則這些可以并發執行的程式便被配置設定到多個處理器上，實作并行執行，即利用每個處理器來處理一個可并發執行的程式。
2. 特權指令與非特權指令
所謂特權指令，是指有特殊權限的指令，由于這類指令的權限最大，使用不當将導緻整個系統崩潰，如清記憶體、置時鐘、配置設定系統資源、修改虛存的段表或頁表、修改使用者的通路權限等。
若所有程式都能使用這些指令，則系統一天當機n次就不足為奇。
為保證系統安全，這類指令隻能用于作業系統或其他系統軟體，不直接提供給使用者使用。
是以，特權指令必須在核心态執行。實際上，CPU在核心态下可以執行指令系統的全集。形象地說，特權指令是那些兒童不宜的東西，而非特權指令是老少皆宜的東西。
為了防止使用者程式中使用特權指令，使用者态下隻能使用非特權指令，核心态下可以使用全部指令。
在使用者态下使用特權指令時，将産生中斷以阻止使用者使用特權指令。
是以把使用者程式放在使用者态下運作，而作業系統中必須使用特權指令的那部分程式在核心态下運作，保證了計算機系統的安全可靠。從使用者态轉換為核心态的唯一途徑是中斷或異常。
3. 訪管指令與訪管中斷
訪管指令是一條可以在使用者态下執行的指令。
在使用者程式中，因要求作業系統提供服務而有意識地使用訪管指令，進而産生一個中斷事件（自願中斷),将作業系統轉換為核心态，稱為訪管中斷。
訪管中斷由訪管指令産生，程式員使用訪管指令向作業系統請求服務。
為什麼要在程式中引入訪管指令呢 ？
這是因為使用者程式隻能在使用者态下運作。若使用者程式想要完成在使用者态下無法完成的工作，該怎麼辦 ？
解決這個問題要靠訪管指令。訪管指令本身不是特權指令，其基本功能是讓程式擁有“自願進管”的手段，進而引起訪管中斷。
處于使用者态的使用者程式使用訪管指令時，系統根據訪管指令的操作數執行訪管中斷處理程式，訪管中斷處理程式将按系統調用的操作數和參數轉到相應的例行子程式。完成服務功能後，退出中斷，傳回到使用者程式斷點繼續執行。
4. 定義微核心結構OS的四個方面
① 足夠小的核心；
② 基于客戶/伺服器模式；
③ 應用“機制與政策分離”原理。機制是指實作某一功能的具體執行機構。
政策則是在機制的基礎上借助于某些參數和算法來實作該功能的優化，或達到不同的功能目标；
在傳統的OS 中，将機制放在OS核心的較低層中，把政策放在核心的較高層中。
而在微核心OS 中，通常将機制放在OS的微核心中。正因如此，才可以将核心做得很小。
④ 采用面向對象技術。基于面向對象技術中的“抽象”和“隐蔽”原則能控制系統複雜性，進一步利用“對象"“封裝”和“繼承”等概念還能確定作業系統的正确性、可靠性、易擴充性等。
正因如此，面向對象技術被廣泛應用于現代作業系統的設計之中。