操作系统（operating system）是管理计算机硬件的程序，为应用程序提供基础，并且充当计算机用户和硬件的中介。
1.1 操作系统的功能
计算机系统可粗分为四个组件：硬件、操作系统、应用程序、用户。
操作系统是一直运行在计算机上的程序（通常称为内核）。除了内核外，还有系统程序（与系统的运行有关，但不是内核的一部分）和应用程序（与系统运行无关）。
1.1.1 用户视角
操作系统设计的主要目的是使用方便，次要的是性能，不在乎的是资源利用。
1.1.2 系统视角
操作系统可看作是资源分配器和控制程序。
1.2 操作系统的组成
1.2.1 计算机系统的运行
当计算机电源打开或重启时，需要运行一个初始程序或引导程序，一般位于计算机的固件中（如ROM、电可擦可编程EEPROM）。它初始化系统的各个组件，从CPU寄存器、设备控制器到内存内容。引导程序必须定位操作系统内核并加载到内存。
一旦内核加载到内存并执行，它就开始为系统和用户提供服务。除了内核外，系统程序在启动时加到内存而成为系统进程或系统后台程序，其生命周期和内核一样。
事件发生通常通过硬件和软件的中断来通知。硬件可以随时通过系统总线发送信号到CPU以触发中断。软件也可以执行系统调用以触发中断。
当CPU被中断时，停止正在做的事，并立即转到固定位置再继续执行。该固定位置通常包含中断服务程序的开始地址。中断服务程序开始执行，在执行完毕之后，CPU重新执行被中断的计算。
中断的处理应当快捷。由于只有少量预先定义的中断，所有可以通过中断处理程序的指针表来提高速度。通常指针表位于低地址内存。这些位置包含各种设备的中断处理程序的地址。这种地址的数组或中断向量，对于任一给定的中断请求，可通过唯一的设备号来索引，进而提供设备的中断处理程序的地址。
1.2.2 存储结构
CPU只能从内存中加载指令，因此执行程序必须位于内存中。大多数程序通常位于可读写内存中，称为内存（main memory），也称随机访问（访问任何位置时间一致）内存（RAM），内存通常为动态随机访问内存（DRAM），采用半导体技术实现。
所有形式的内存都提供字节数组，每个字节都有地址。
在冯·诺依曼体系结构上执行时，一个典型的指令周期是，首先从内存中获取指令，并存到指令寄存器。接着该指令被解码，也可能会从内存中获取操作数据并存到内部寄存器。在指令完成对数据的执行后，结构也可能存到内存。
内存容量通常太少且是易失性的存储设备，掉电会失去所有内容。因此大部分计算机提供外存。
1.2.3 I/O结构
计算机系统由一个CPU和多个设备控制器组成，通过共同的总线连在一起。每个设备管理器管理某一特定类型的设备。操作系统为每个设备控制器都提供了一个设备驱动程序。
1.3 计算机系统的体系结构
单处理器系统：只要一个主CPU，带有其他专用处理器（不执行用户进程）；
多处理器系统（并行系统/多核系统）：优点是增加吞吐量、规模经济、增加可靠性；
集群系统：由两个以上的独立系统组成，共享存储并采用LAN或更快的连接。
1.4 操作系统的结构
操作系统最重要的一点是具有多道程序能力。
为了充分利用CPU，现代操作系统采用多道程序设计：允许多个作业同时位于内存，从而保证CPU总有一个作业可以执行。
分时系统是多道程序系统的扩展，它采用了调度算法，以快速切换作业，好像每个作业同时进行。
1.5 操作系统的执行
1.5.1 多重模式
现代操作系统是中断驱动的。事件总是有中断和陷阱引起的。陷阱（或异常）是一种软件生成的中断，或源于错误（如除数为0），或源于用户程序的特定请求。
操作系统必须确保计算机系统的正确运行。为了防止用户干预系统的正常进行，硬件会有两种模式：用户模式和内核模式（也称系统模式或特权模式）。计算机硬件可以通过一个模式位来表示当前模式：内核模式（0）和用户模式（1）。
将可能引起损害的机器指令作为特权指令，并且硬件只有在内核模式下才允许执行特权指令，如果用户模式下试图执行特权指令，那么硬件不执行该指令，认为其非法并将以陷阱形式通知操作系统。
许多指令（如I/O指令和停机指令）都是特权的，只能在特权模式下执行。操作系统驻留的内存也会加以保护，以防用户程序修改。
1.5.2 定时器
操作系统应该维持控制CPU，防止用户程序陷入死循环，或不调用系统服务并且不将控制返给操作系统。为了实现这一目标，可以使用定时器。
在将控制交给用户之前，操作系统确保定时器已经设置好以便产生中断。当定时器产生中断时，控制自动转移到操作系统。
1.6 进程管理
程序本身不是进程。
进程是操作系统工作的基本单元。
进程管理包括创建和删除进程、提供与其他进程通信和同步的机制。
1.7 内存管理
操作系统管理内存，以跟踪内存的哪部分被使用以及被谁使用。操作系统还负责动态分配和释放内存空间。
1.8 存储管理
操作系统对存储设备的物理属性进行了抽象，并定义了逻辑存储单元，即文件（file）。
1.8.1 文件系统管理
文件系统管理文件和目录。
1.8.2 大容量存储器管理
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1.8.3 高速缓存
...
高速缓存一致性问题：由于多个CPU可以并发执行，应确保位于一个高速缓存的A值的更新，应该马上反映到所有其他A所在的高速缓存。
1.8.4 I/O系统
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