一、操作系统的目标和作用
最原始的时候，用户拿到的只有硬件，只能直接使用指令操作，效率完全取决于操作者的技术。
所以操作系统的目的是：
- 对硬件的扩展、管理，提升硬件的利用率和吞吐量。
- 方便用户使用，提供对硬件封装好的API（系统调用），提供友好的命令行界面或者图形界面。
操作系统带来了什么？
- 可以使用高级语言直接写代码，通过编译执行，大大增加了移植性。
- 有了系统调用，用户再也不用关心硬件的使用，比如嵌入式就是看厂家的说明文档，高低电频分别表示什么，才能用。
- 便于扩展。各种鼠标键盘打印机，直接安装驱动就好了，而厂家只用根据统一的标准设计驱动即可。
- 硬件的使用更加高效。原来的硬件就像一盘散沙，各干各的，CPU快磁盘慢，就一直等；现在有了操作系统的指挥，硬盘预读到内存，程序预加载，减少CPU的等待，让其相互配合，充分利用各个硬件。
- 提升了安全性。以前操作者如果不小心，可能直接擦掉寄存器或清空内存，产生不可预估的错误。而现在操作系统将系统需要的寄存器和内存都设置成了不可访问，将一些高权限的操作都封装了起来，大大提升了安全性。
- 资源的抽象。将物理地址转化为了逻辑地址，让用户不用关心具体的物理地址。
操作系统是什么？
- 对用户来说：是一个方便用户使用的系统软件。
- 对硬件来说：是一个管家，负责管理、分配资源。
- 对进程来说：是创建、协调、关闭进程的工具。
- 对电脑来说：是给硬件加了一层壳。
操作系统的特性
- 并发性：
并行是同时进行；并发是宏观并行，微观串行，实际上是交替执行。 - 共享性：有了并发，就有了贡献。有些资源要独占，有些资源可以分享，就引出了互斥、锁、临界资源的概念。
- 虚拟性：比如物理地址到逻辑地址。比如分时系统让用户感觉是自己在独占。比如空分复用（内存的时分复用）让进程感觉自己是独占了所有内存。
- 异步性：进程的执行顺序是不可预知的。
二、操作的系统的发展历史
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人工操作
使用纸带输入指令，低效。用户独占全机。 -
脱机输入输出
在主机上加了一台外围机，其实和内存是一个感觉，提前加载好，让主机的等待时间减少，即提高了CPU的利用率。 -
单道批处理 和 多道批处理
单道和多道指的是内存中加载的作业数量，即同时执行的程序数量。
单道批处理只有一个程序，自然就是顺序执行，和脱机的区别就是添加了一个监督程序，可以挨个执行作业。
多道批处理添加了贡献系统资源，让多个作业交替执行，可以显著提高CPU的利用率。（并发执行）
唯一的缺点就是不能交互。
其实可以看出，这里已经有了操作系统的雏形了，主要是为了解决CPU和IO的速度不匹配的问题。
这里面需要解决的问题：
- CPU怎么分配。比如优先级、时间片、最小等待、最短优先等方案。
- 内存怎么分配和保护，要保证程序间的隔离，且大小合适。是取最合适的内存，还是直接用最大的内存。
- IO的分配。互斥和共享，怎么加锁，怎么解决临界资源的抢占。
- 文件的组织和管理。怎么更快地查找、读取，怎么保证一致性、安全性。
- 作业管理。怎么创建、调度、休眠和执行，销毁。
这么看来，操作系统其实基本包含了程序界所有的基础难点。
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分时系统
分时系统就是将CPU的调度划分成了时间片，每个进程使用多少个时间片，用完了就要让出CPU给其他程序，同时内存进行调入调出程序。
这里面可能有中断或者优先级的问题，总体上看起来就是每个进程都独占了CPU和内存，用户独占了主机。
这样就产生了多用户系统。在以前计算机很昂贵的时代是非常有意义的。 -
实时系统
实时系统就是创建就执行，直到结束，不会有CPU的让出，提供了更高的安全性，适用于简单的，或者高安全性的系统。
其中涉及到截止时间，根据对截止时间的态度又可以分为硬实时系统（不能超时）和软实时系统（可以超时）。 -
其他系统
比如嵌入式系统，为了高效而生，将系统裁剪和定制，实现专门的系统。
集群系统、网络系统、分布式系统，是现在广泛应用在互联网时代的系统，将多个计算机组合起来，协同工作，达到更强大的性能；同时还可以将机器遍布全球，减少网络延时，提升用户体验。
三、操作系统的设计
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模块设计
将各种功能都封装到模块中，互相依赖、调用。高内聚、低耦合。但是带来了依赖关系混乱的问题。 -
分层设计
将功能从小到大进行封装，一层层调用，依赖关系明确，但是由于层数的增加，效率也会逐步降低。 -
微内核设计
将操作分为了用户态和管态。
管态能访问所有的寄存器和存储区，而用户态只能访问指定的。
管态包含了各种高权限操作：
- 中断屏蔽
- 清内存
- 存储保护
- 设置时钟
- 原语（指令组成的一个作业，只能执行完，不可中断）
比如进程，怎么样管理、通信、切换、调度、同步在微内核中，而怎么处理优先级，怎么分类在内核中。
比如存储器，页怎么置换、地址映射在微内核中，怎么分配、回收再内核中。
其实就是将核心操作放到了微内核，而策略放到了内核。
缺点：需要频繁在用户态和管态中切换。