在學習作業系統時總結了筆記，并分享出來，特别是藍色和紅色字型。有問題請及時聯系部落客：Alliswell_WP，轉載請注明出處。
參考書：《作業系統》谌衛軍等，清華大學出版社，2012年5月
參考視訊：清航全套計算機專業課視訊
目錄
1.計算機概述
2.作業系統的概念
3.作業系統的發展曆史
4.作業系統的類型
5.作業系統需要的硬體特性
第一章 作業系統概述（計算機體系結構圖、單道批處理、特權指令、程式狀态字PSW、棧幹嘛用）
1.計算機概述
思考兩個問題：1）在一個計算機系統中，包括哪一些硬體裝置？
2）如何把這些硬體裝置搭建成一個系統，什麼結構？
計算機指令：指令是計算機運作的最小的功能機關，是指揮計算機硬體運作的指令。
如：算術運算指令、邏輯運算指令、移位操作指令、資料傳送指令、輸入輸出指令、轉移指令等。
指令組成：操作碼+操作數1+操作數2……
如：模仿 小雞
加 1 3
2.作業系統的概念
為什麼計算機種要引入作業系統？
如果程式員直接對硬體程式設計……
需要了解：鍵盤的工作原理？如何把鍵盤緩沖區中的資料拷貝到記憶體？顯示器的工作原理？如何在螢幕的某個特定位置顯示某字元？
怎麼辦？
在硬體和應用軟體之間，引入一層軟體，其功能為：
1）管理系統的各個部件，使之能正常運轉；2）在上層的應用軟體提供一個易于了解和程式設計的接口；
這層軟體就是作業系統。
你眼中的OS是什麼？
不同人眼中的OS是不同的，
OS設計者：如何管理CPU、記憶體、I/O裝置等系統部件，使之能正常運轉；
應用程式開發人員：API應用程式程式設計接口
3.作業系統的發展曆史
Phase 1：1946-50年代 硬體非常昂貴，沒有作業系統；
程式設計語言：機器語言；
輸入輸出：紙帶或卡片；
使用者在控制台前調試程式，獨占全機。使用者既是程式員，又是操作員，手工操作；
一次完成一個功能（計算，I/O，使用者思考/反應），之間沒有重疊。
問題：手工操作的低效率造成CPU資源的浪費。
Phase 2：50年代末-60年代中，批處理管理程式
（硬體昂貴，人力便宜，為了提高計算機的使用效率，減少手工操作！）
程式員把作業（卡片或錄音帶）送出給負責排程的程式員（系統管理者）；
操作員把作業“成批”地輸入到計算機；
常駐記憶體的批處理管理程式自動地識别、裝入一個作業，并運作之，軟後再取下一個作業。
串行地執行作業，因而稱為“單道批處理”。
問題：1）程式的調試比較困難；
2）由于慢速的輸入輸出處理仍然直接由主機來完成，使得CPU和I/O裝置使用忙閑不均：對計算為主的作業，外設空閑；對I/O為主的作業，CPU空閑。
60年代初，發展了通道計數和中斷技術，這些技術的出現使得I/O通路與CPU計算可以重疊進行。
通道：用于控制I/O裝置與記憶體間的資料傳輸，有專用的I/O處理器，啟動後可獨立于CPU運作，實作CPU與I/O的并行工作。
中斷：值CPU在收到外部中斷信号後，停止原來工作，轉去處理該中斷事件，在完成後回到原來斷點繼續工作。
60年代中-70年代中，多道批處理系統
（現代意義上的作業系統的出現）
多道：記憶體中同時存放多個作業，由CPU以切換方式為之服務。在目前運作的作業需作I/O處理時，CPU轉而執行另一個作業；
宏觀上并行運作：都處于運作狀态，但都未運作完；
微觀上串行運作：各作業交替使用CPU和I/O裝置
如何構造一個多道批處理系統？
需要解決的問題：1）記憶體管理，系統必須給多個作業配置設定記憶體；
2）記憶體保護，避免一個程式中的bug造成整個系統崩潰，或者是破壞了其他程式的執行；
3）CPU排程，系統必須在多個作業中不斷地進行切換，選擇其中的一個去使用CPU；
4）系統必須去管理各個并行運作的作業之間的互動關系。
Phase 3：70年代中-至今，分時系統（多個使用者通過各自的終端分享地使用同一台計算機。）
（硬體較以前便宜，人力昂貴）
互動式分時：
-計算機比較貴，隻有一台；
-終端比較便宜，人手一台；
-所有使用者可與系統立即互動，調試比較友善；
一些分時作業系統
CTSS：由MIT開發；最早的分時系統之一；在排程方面進行了一些開拓性的工作；
MULTICS（MULTiplexed Information and Computing Service）：“公用計算服務系統”
UNIX（UNiplexed Information and Computing Service）：
Phase 4：
（硬體很便宜，人力依然昂貴）
計算機非常便宜，可以人手一台，Apple II、IBM PC等；
1974年Intel推出8080晶片，請Gary Kidall設計了CP/M作業系統——第一個個人計算機作業系統。Gary由此成立Digital Research公司；
1980年，微軟——收購了DOS作業系統，建立了MS-DOS；
Phase 5：今天的作業系統
規模龐大：Windows NT是2千萬行代碼，Windows 2000約4千萬行；
極為複雜；
互聯時代；
4.作業系統的類型
批處理作業系統（多道批處理）
分時作業系統
實時作業系統
嵌入式作業系統
個人計算機作業系統
分布式作業系統
5.作業系統需要的硬體特性
OS需要的硬體特性：受保護的指令（特權指令）；系統調用；記憶體保護；中斷機制；I/O系統；時鐘操作
受保護的指令（特權指令）
有些指令隻有作業系統才有權使用，例如：
1）通路某些硬體資源的指令，這些硬體資源禁止使用者程式直接通路；
2）對I/O裝置的直接通路指令，如磁盤、列印機等；
3）對記憶體管理狀态進行操作的指令（頁表指針、重新整理TLB等）；
4）某些特殊的狀态位的設定指令；
5）停機指令。
如何從硬體上實作OS的這個要求？
根據運作程式對資源和機器指令的使用權限，把處理器設定為不同狀态。多數系統将處理器工作狀态劃分為管态和目态。
管态：作業系統的管理程式運作時的狀态，較高的特權級别，又稱為特權态、系統态、核心态
處理器處于管态時：可以執行所有的指令（包括特權指令）、使用所有的資源，并具有改變處理器狀态的能力。
目态：使用者程式運作時的狀态，較低的特權級别，又稱為普通态（普态）、使用者态
在此狀态下禁止使用特權指令，不能直接使用系統資源與改變CPU狀态，并且隻能通路使用者程式所在的存儲空間。
有些系統将處理器狀态劃分核心狀态，管理狀态和使用者程式狀态（目标狀态）三種
執行個體：x86系列處理器
-386、486、Pentium系列都支援4個處理器特權級别（特權環：R0、R1、R2、R3）
-從R0到R3特權能力依次降低
-R0相當于雙狀态系統的管态
-R3相當于目态
-R1和R2則介于兩者之間，它們能夠運作的指令集合具有包含關系
四個級别運作不同類别的程式：
R0-運作作業系統核心代碼
R1-運作關鍵裝置驅動程式和I/O處理例程
R2-運作其它受保護共享代碼，如語言系統運作環境
R3-運作各種使用者程式
現在基于x86處理器的作業系統，多數UNIX、Linux以及Windows系列大都隻用了R0和R3兩個特權級别。
問題一：CPU怎麼來判斷目前運作的程式是系統程式還是使用者程式呢？
程式狀态字PSW——一個專門的寄存器，用來訓示處理器的狀态，PSW（Program Status Word），通常包括：
1）CPU的工作狀态碼——指明管态還是目态，用來說明目前在CPU上執行的是作業系統還是一般使用者，進而決定其是否可以使用特權指令或擁有其它的特殊權力；
2）條件碼——反映指令執行後的結果特征；
3）中斷屏蔽碼——指出是否允許中斷
問題二：狀态之間如何轉換？
管态——>目态
通過設定PSW（修改程式狀态字）來實作；
目态——>管态
使用者程式無法直接修改程式狀态字；
那麼使用者程式如何才能去做一些帶有“特權” 的事情（如I/O）呢？
解決之道是——（系統調用）
系統調用
使用者程式通過特殊的防管指令，來請求作業系統為其提供某種功能的服務。系統調用指令的實作過程一般是：
-當CPU執行防管指令時，即引起防管中斷；
-處理器儲存中斷點的程式執行上下文環境（PSW，PC和其他的一些寄存器），CPU切換到管态。
-中斷處理程式開始工作，調用相應的系統服務；
-中斷處理結束後，恢複被中斷程式的上下文環境，CPU恢複為目态，回到中斷點繼續執行。
記憶體保護（先不講）
中斷機制（同步中斷和異步中斷）
I/O系統（先不講）
時鐘操作（先不講）