操作系统为用户程序提供一个更好、更简单、更清晰的计算机模型，并管理所有设备。
与用户交互的程序，基于文本的通常称为shell，基于图标的则称为图形用户界面Graphical User Interface(GUI)。
什么是操作系统
- 操作系统扩展机器，操作系统的一个主要任务是隐藏硬件，呈现给程序一个良好清晰优雅一致的抽象。
- 操作系统做资源管理，现代操作系统允许同时运行多道程序，操作系统把潜在的混乱有序化。操作系统的任务是记录那个程序在使用什么资源，对资源请求进行分配，评估使用代价，并且为不同的程序和用户调解互相冲的的资源请求。
多路复用资源：
- 时间上复用，不同的程序或用户轮流使用它。先是第一个获得资源的使用，然后下一个，以此类推。例如打印机共享。
- 空间复用，每个客户得到资源的一部分，从而取代了排队。例如在若干运行程序之间分割内存，这样每个运行程序都可以同时入住内存。其他例子还有磁盘。
操作系统的历史
操作系统的历史：
- 第一代(1945~1955)：真空管和穿孔卡片
- 第二代(1955~1965)：晶体管和批处理系统
- 第三代(1965~1980)：集成电路芯片和多道程序设计
- 第四代(1980至今)：个人计算机
早期批处理系统 batch system：在输入室收集全部的作业，然后用一台较便宜的计算机将它们读到磁带上。用较昂贵的计算机完成真正的计算。
单一家族思想：计算机只在价格和性能上有差异，所有的计算机都有相同体系结构和指令集，为一种型号机器编写的程序可以在其他所有型号的机器上运行。
多道程序设计：将内存分为几个部分，每一部分存放不同的作业，当一个作业等待I/O操作完成时，另一个作业可以使用CPU。
同时的外部设备联机操作Simultaneous Peripheral Operation On Line(SPOOLing)：任何 时刻当一个作业运行结束时，操作系统就能将一个新作业从磁盘读出，装进空出来的内存区域运行。该技术同时也用于输出。
DOS和Gates的故事与GUI和Steve Jobs的故事(黑历史)。
计算机硬件介绍
CPU从内存中取出指令并执行。在每个CPU基本周期中，首先从内存中取出指令，解码以确定其类型和操作数，接着执行，然后取指、解码并执行下一条指令。CPU内部有用来保存关键变量和临时数据的寄存器。程序计数器、堆栈指针、程序状态字等。在时间多路复用CPU中，操作系统会终止正在运行的某个程序并启动另一个程序。每次停止一个运行着的程序时，操作系统保存所有的寄存器，在稍后程序再次运行时，把寄存器重新装入。
流水线机制 pipeline：CPU同时取出多条指令的机制。例如，CPU有分开的取指单元、解码单元和执行单元，当他执行指令n时，它还可以对指令n+1解码，并读取指令n+2。
超标量CPU：有多个执行单元，两个或更多的指令被同时取出、解码并装入一个保持缓冲区中，直至它们执行完毕。
系统调用 system call：系统调用陷入内核并调用操作系统，从操作系统中获得服务。
多线程 multithreading：多线程允许CPU保持两个不同的线程状态，然后在纳秒级的时间尺度内来回切换。
存储器系统采用一种分层次的结构：寄存器、高速缓存、内存、磁盘、磁带。
高速缓存：当某个程序需要读一个存储字时，高速缓存硬件检查所需要的高速缓存行是否存在高速缓存中。如果是，称为高速缓存命中，缓存满足了请求，就不需要通过总线把访问请求送往主存。
随机访问存储器 Random Access Memory(RAM)：存储器系统的主力，断电易失，不能在高速缓存中的得到满足的访问请求会转入主存。
只读存储器 Read Only Memory(ROM)：在工厂中被编程完毕，再也不能被修改，电源切断后不丢失其内容。ROM速度快且便宜，用于启动计算机的引导加载模块就存放在ROM中。一些I/O卡也采用ROM处理底层设备控制。
电可擦除可编程ROM Electrically Erasable PROM、闪存 flash memory：非易失性，可以擦除和重写。
磁盘：低速的机械装置。信息写在磁盘上的一系列同心圆上。在任意一个给定臂的位置，每个磁头可以读取一段环形区域，称为磁道(track)。把一个给定臂的位置上的所有磁道合并起来，组成了一个柱面（cylinder）。
虚拟内存机制：将程序放在磁盘上，将主存作为一种缓存，用来保存最频繁使用的部分程序。
内存器管理单元 Memory Management Unit：CPU中的一个部件。快速的映像内存地址，把程序生成的地址转换为有关字节在RAM中的物理地址。
上下文切换 context switch：在多道程序系统中，从一个程序切换到另一个程序。
集成驱动器电子设备 Integrated Drive Electronics(IDE)：实际设备自身有一个相对简单的接口，接口被标准化，这样任何一个IDE磁盘控制器就可以适应任意一种IDE磁盘。
设备驱动程序 device driver：与控制器对话，发出命令并接收响应的软件。
将设备驱动程序装入操作系统的途径：
- 将内核与设备驱动程序重新链接，然后重启系统。UNIX系统。
- 在一个操作系统文件中设置一个入口，并通知该文件需要一个设备驱动程序，然后重启系统。Windows系统。
- 操作系统在运行时接受新的的设备驱动程序并且立即将其安装好，无需重启系统。热插拔设备如USB。
基本输入输出系统 Basic Input Output System(BIOS)：在BIOS内有底层I/O软件，包括度键盘、写屏幕、进行磁盘I/O以及其他过程。
操作系统概念
进程 process：本质上是正在执行的一个程序。进程基本上是容纳运行一个程序所需要所有信息的容器。
地址空间 address space：从某个最小值的存储位置到某个最大值的存储位置的列表。在这个地址空间中，进程可以读写。该地址空间中存放有可执行程序、程序的数据以及程序的堆栈。
进程表 process table：与一个进程有关的所有信息，除了该进程自身地址空间的内容以外，均存放在操作系统的一张表中。是数组或链表结构，当前存在的每个进程都要占用其中一项。
一个进程被挂起后，再启动时的状态必须与先前暂停时完全相同。一个挂起的进程包括：进程的地址空间，对应的进程表项。
一个进程能够创建一个或多个子进程，这些进程又创建子进程，得到进程树。
进程间通信 interprocess communication：合作完成某些作业的进程常需要彼此通信以便同步它们的行为。
可用的进程系统调用有：申请更多内存、释放不需要的内存、等待一个子进程结束、用另一个程序覆盖程序。
警告信号 alarm signal：在限定的秒数流逝之后，操作系统向进程发送警告信号。引起该进程暂时挂起。
系统管理器授权每个进程使用一个给定的UID标识(User IDentification)。每个被启动的进程都有一个启动该进程的用户UID。子进程拥有父进程一样的UID。用户可以是某个组的成员，每个组也有一个GID标识。
目录(directory)把文件分类成组。目录层结构中的每个文件都可以通过从目录的顶部，即根目录开始的路径名来决定。每个进程有一个工作目录(working directory)。
文件描述符 file descriptor：在读写文件之前，首先要打开文件，检查其访问权限。若权限许可，系统将返回一个小整数，供后续操作使用。
管道 pipe：一种虚文件，可连接两个进程。两个进程通过管道对话。
所有计算机都有用来获取输入和产生输出的物理设备。每个操作系统都有管理其I/O设备的I/O子系统。
计算机中有大量的信息，用户希望对其进行保护，并保守秘密。UNIX操作系统通过对每个文件赋予一个9位的二进制保护代码，对UNIX中的文件实现保护。该保护代码有三个3位字段，一个用于所有者，一个用于所有者同组中的其他成员，而另一个用于其他人。每个字段中有一位用于读访问，一位用于写访问，一位用于执行访问。这就是rwx位。
UNIX的命令解释器称为shell。shell同时也是终端用户与操作系统之间的界面。
