1.1课程概述

课程简介
什么是操作系统
为什么学习以及如何学习操作系统
操作系统的实例，历史和结构介绍
本课程涉及：
操作系统基本概念和原理
操作系统介绍
中断及系统调用
内存管理
进程及线程
调度
同步
文件系统
I/O子系统
练习：在uCore操作系统上做实验
操作系统实验：
实验0：准备（搭建操作系统，搭建过程）
实验1：系统启动及中断
实验2：物理内存管理
实验3：虚拟内存管理
实验4：内核线程管理
实验5：用户进程管理
实验6：CPU调度
实验7：同步与互斥（协调资源，提高利用率）
实验8：文件系统
预备知识：
计算机结构原理（Intel 80386+）
数据结构
C和汇编语言

1.2什么是操作系统

从功能角度看什么是操作系统

第一，具有控制功能

用户角度：操作系统是一个控制程序，可以控制软件
管理应用程序
为应用程序提供服务：I/O服务，声音，网卡服务
杀死应用程序

第二，具有管理功能

资源管理
管理外设，分配资源：使得不同时刻分配不同资源，均匀分配

操作系统层次架构

操作系统位置：于硬件之上，应用程序之下

操作系统是一个中间层的软件
在这里插入图片描述
操作系统是一个应用软件，管理硬件，上层有统一接口(例如图形界面Shell)，方便管理。

而操作系统内部核心是：Kernel

硬件资源管理

CPU：CPU调度，进程和线程管理
内存：物理内存管理，虚拟内存管理（为上层提供一个更大的虚拟环境）
磁盘（闪存）：文件系统管理（访问非常底层，不方便用户和应用程序存储数据，因此在上面抽象出了文件系统，以文件的形式提供访问，存储的环境）
底层硬件：中断处理与设备驱动

操作系统内核的特征

并发
计算机系统可以同时运行多个程序。一段时间内有多个程序可以同时运行，需要OS管理和调度。不同于并行，并行是同一个时间点有多个程序可以同时运行，需要多个CPU，提供并行性，必须多个CPU。
共享
有“同时”和“互斥”共享。有限的资源可以提供给多个程序，但是内部中一个程序一个时间点只能访问一个内存单元。
虚拟化
操作系统直接面对硬件，把CPU虚拟化为进程，把磁盘虚拟化为文件，内存虚拟化为地址空间。利用多道程序设计技术，让每个用户都觉得有一个计算机专门为他服务。
异步
程序的执行取决于操作系统的调度。程序的执行不是一贯到底，而是走走停停，向前推进的速度不可预知。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。

1.3为什么学习操作系统

操作系统是一门综合课程。结合许多不同课程

程序设计语言
数据结构
算法
计算机体系结构
操作系统概念和原理，源代码
技能
操作系统的设计和实现（高手）

操作系统的挑战性

操作系统是计算机研究的基础，和软件硬件都有关，还在研究,具有挑战性：

操作系统很大，代码量大，没有人会把OS方方面面都了解透
实际操作系统很复杂，只看自己感兴趣的部分，或研究部分
操作系统管理并发：并发导致有趣的编程挑战
操作系统代码管理原始硬件：时间依赖行为，非法行为，硬件故障
操作系统代码必须是可靠高效的：低耗CPU,内存，磁盘
操作系统储蓄哦，就意味着机器出错：操作系统必须稳定
操作系统是系统安全的基础

操作系统挑战性体现在哪些地方

课本上原理讲解的部分并不是现在操作系统的主要挑战，比如并发调度算法，I/O磁盘调度可以交给器件本身去完成了，进程调度这些调度算法之类的只是操作系统重要部分的一小部分，原理概念有的是老化的知识点，作为了解即可。

那么，我们需要站在更高的眼光上看待操作系统，因为它是一个大的系统。

操作系统需要权衡

空间与时间
性能和可预测性
公平和性能

硬件方面，操作系统需要

良好的硬件管理
合理的资源分配
例如：硬盘速度跟COU,内存相差很多，操作系统需要协调处理

操作系统领域

工业界：微软，谷歌，Facework,苹果以OS为核心
学术界：ACM,IEEE,USENIX,CFF（国内）
顶级会议：SOSP（每两年）,USENIX（每两年）

1.4如何学习操作系统

实践，coding,动手
关注实验，做实验

1.5操作系统实例

操作系统有很多，面向桌面的，面向服务器的（数据中心，气象），移动中断（手机）

UNIX（C语言）：改变了世界
UNIX BSD
Linux：很多操作系统都是基于它
Windows

1.6操作系统的历史

操作系统的发展随着计算机硬件，应用需求的发展而发展

CPU越来越快，计算机速度得到提升
内存越来越大，CPU执行多个程序，内存中可以放进多个程序，并发执行，减小I/O开销，速度提升
操作系统可以批处理，流水调度（初步形态）
多道程序设计
中断
分时系统（为了更好利用计算机资源）方便人机交互
网络的快速发展，出现了分布式的操作系统

1.7操作系统结构

为什么操作系统使用C语言？
C语言不分仪器，有好的移植性，而汇编语言需要在固定机器上，不具备可移植性。

微内核的设计：尽可能把内核功能移动到用户空间。比如中断处理，消息传递放在内核里，文件系统，内存管理等放在外围以程序，服务形式存在，松耦合的架构，而不是通过函数调用的紧耦合方式。

这样的代价就是性能降低，因为多次拷贝的开销远远超过函数调用。所以产业上很少采用
学术界存在另一种更加极端的架构，“外核”
虚拟机VMs：一台物理机可以虚拟出多个操作系统

VMM虚拟出的是一个完整的计算机