作業系統的概念

作業系統(Operating System, OS)：是指控制和管理整個計算機系統的硬體和軟體資源，併合理地組織排程計算機的工作和資源分配，以提供給使用者和其他軟體方便的介面和環境的軟體集合。

作業系統的四個特徵：併發、共享、虛擬、非同步

1. 併發性(Concurrence)：併發是指兩個或多個時間在同一時間間隔內發生。作業系統的併發性是指作業系統中同時存在多個執行著的程式。引入程序的目的是使程式能夠併發執行。併發和共享是作業系統最基本的兩個特徵。
   併發（同一時間間隔），並行（同一時刻）。併發是指一段時間內，巨集觀上有多道程式在同時執行。並行是指在每一時刻，單處理器的環境下實際僅能有一道程式執行。並行性需要硬體的條件支撐，例如：多流程或是多處理器

2. 共享(Sharing)：資源共享即共享，是指系統中的資源可供記憶體中的多個併發執行的程序共同使用，可以分為兩種資源共享方式：
   1：互斥共享方式：一段時間內僅允許一個程序訪問該資源，這樣的資源被稱為臨界資源或是獨佔資源，例如印表機等等
   2：同時訪問方式：一段時間內允許多個程序訪問該資源，只是一個請求分幾個時間片間隔完成的效果和連續完成的效果相同，例如磁碟裝置等等

3. 虛擬(Virtual)：指把一個物理上的實體變為若干個邏輯上的對應物，有時分複用技術：處理器的分時共享，空分複用技術：虛擬儲存器

4. 非同步(Asynchronism)：在多道程式環境下，允許多個程式併發執行，但是由於資源有限，程序的執行不一定是連貫到底，而是走走停停。

直觀的理解作業系統

使用者是僱主，作業系統是工人，計算機是機器(由處理器、儲存器、裝置、檔案等幾個部件構成)

處理器管理：在多道程式的情況下，處理器的分配和執行都以程序(或執行緒)為基本單位，因而對處理器的管理可以分配為對程序的管理
儲存器管理：包括記憶體分配、地址對映、記憶體保護等等
檔案管理：計算機中的資訊都是以檔案的形式存在的，作業系統中負責檔案管理的部分被稱為檔案系統，檔案管理包括檔案儲存空間的管理、目錄管理和讀防寫等等
裝置管理：主要任務是完成使用者的I/O請求，包括緩衝管理、裝置分配、虛擬裝置等等

作業系統的體系結構：大核心與微核心

大核心：將作業系統的主要功能模組都作為一個緊密聯絡的整體執行在核心態，從而為應用提供高效能的系統服務，各管理模組之間共享資訊，相互互動，效能優勢非常明顯，更高效

微核心：有效的分離了核心與服務，服務與服務，使得介面更清晰，維護代價大大降低，各部分可以獨立優化與演進，保證了作業系統的可靠性

作業系統的執行機制

在計算機系統中，CPU通常執行兩種不同性質的程式：1：作業系統核心程式；2：使用者程式或是系統之外的應用程式。前者是後者的管理者。作業系統分為使用者態和核心態以區分這兩種程式。

核心態

1：與硬體關聯緊密的模組：時鐘管理、中斷處理、裝置驅動等
2：執行頻率較高的程式：程序管理、儲存器管理、裝置管理等
這兩部分構成了作業系統的核心，核心是計算機上的底層軟體，而這部分的軟體也就工作在核心態

作業系統的系統核心

主要包含四個方面：

• 時鐘管理：計時、通過時鐘中斷實現程序切換
• 中斷機制：提高多道程式執行環境中的CPU使用率（中斷機制中只有一小部分屬於核心）
• 原語：底層可被呼叫的公用小程式（定義方法：關閉中斷，讓所有動作一氣呵成，再開啟中斷）
• 系統控制的資料結構及處理：為實現有效的管理定義的一些基本操作：核心態的三種管理方式

綜上：核心態指的是包括系統呼叫類指令和一些針對時鐘、中斷和原語的操作指令。

中斷和異常

作業系統在發展的過程中，就是不斷地提高資源利用率的過程，那就是說在程式並未使用某種資源時，把它對那種資源的佔有權釋放，這個行為就要通過中斷來實現。

中斷（外中斷）

指來自CPU執行指令以外的事件發生，如：裝置發出的I/O結束中斷，表示裝置輸入/輸出已結束。這類中斷與當前程式無關，來源於本身以外。

異常（內中斷/陷入）

指源自於CPU執行指令內部的事件，如：程式自身的非法操作碼、地址越界、算術溢位、或是專門的陷入指令。對異常的處理一般要依賴於當前程式的執行現場，且異常不能被遮蔽，必須立即處理。

系統呼叫

所謂系統呼叫指的是使用者在程式種地啊用作業系統所提供的一些子功能，大致分為一下幾類：

• 裝置管理：裝置的請求與釋放
• 檔案管理：檔案的讀寫、建立。刪除等
• 程序控制：程序的建立、刪除、撤銷、阻塞等
• 程序通訊：程序之間的訊息傳遞和訊號傳遞
• 記憶體管理：完成記憶體的分配，回收等

綜上：作業系統的執行環境可以理解為：使用者通過作業系統執行上層程式，而上層程式依賴於作業系統的底層管理，當需要底層的服務支援時，系統通過硬體中斷機制進入核心態，執行管理程式。