一、计算机系统概述

本章导览

共 6 个小节：操作系统的基本概念、操作系统的发展历程、操作系统的运行环境、操作系统结构、操作系统引导、虚拟机

本章重点

• 四大特征：并发（宏观同时）、共享、虚拟、异步；并发与共享是基础
• 核心态 / 用户态切换 + 中断机制是 OS 运行的根基
• 五大管理：进程、内存、文件、设备 + 用户接口；结构分宏内核 / 微内核

操作系统的基本概念

关键点

• OS = 管理计算机软硬件资源、为用户提供服务的系统软件
• 四大特征：并发（宏观同时、微观交替）、共享（资源被多进程共用）、虚拟（一个物理实体变多个逻辑）、异步（进程走走停停）
• 功能：进程 / 内存 / 文件 / 设备管理 + 用户接口

操作系统的发展历程

关键点

• 演进：手工操作 → 批处理（单道 → 多道） → 分时系统 → 实时系统
• 多道批处理首次引入并发，提高资源利用率但无交互
• 分时系统：多用户分时间片轮流使用，兼顾交互与公平

操作系统的运行环境

关键点

• 两种运行态：核心态（可执行特权指令）/ 用户态（仅普通指令），靠中断切换
• 中断 / 异常：中断由外部引发（异步），异常由指令内部引发（同步）——是用户态进核心态的唯一途径
• 系统调用：用户程序请求 OS 服务的接口（如 fork、read）

操作系统的运行机制

中断和异常

系统调用

操作系统结构

关键点

• 内核结构演进：单体 → 模块化 → 分层 → 微内核 → 混合
• 宏（大）内核：服务都在核心态，性能高但可靠 / 可维护性差
• 微（小）内核：只保留最核心功能在核心态，其余移到用户态，可靠安全但 IPC 开销大

操作系统引导

关键点

• 操作系统引导（Boot）= 从加电到内核运行起来的全过程
• 流程：BIOS / UEFI 自检 → 找引导设备 → 加载 Bootloader → 启动内核
• 分区方案：传统 BIOS + MBR vs 现代 UEFI + GPT

虚拟机

关键点

• 虚拟机靠 VMM（Hypervisor） 在一台物理机上模拟多台虚拟机
• 类型一（裸机型）：VMM 直接跑在硬件上，性能高（服务器）
• 类型二（宿主型）：VMM 跑在宿主 OS 上，易用但性能略低（个人电脑）