| 特性、思想 | 优点 | 缺点 |
| 分层结构 | 内核分多层,每层可单向调用更低一层提供的接口 | 1.便于调试和验证,自底向上逐层调试验证 | 1.仅可调用相邻低层,难以合理定义各层的边界 |
| 2.易扩充和易维护,各层之间调用接口清晰固定 | 2.效率低,不可跨层调用,系统调用执行时间长 |
| 模块化 | 将内核划分为多个模块,各模块之间相互协作。内核=主模块+可加载内核模块主模块:只负责核心功能,如进程调度、内存管理可加载内核模块:可以动态加载新模块到内核,而无需重新编译整个内核 | 1.模块间逻辑清晰易于维护,确定模块间接口后即可多模块同时开发 | 1.模块间的接口定义未必合理、实用 |
| 2.支持动态加载新的内核模块(如:安装设备驱动程序、安装新的文件系统模块到内核),增强OS适应性 |
| 2.模块间相互依赖,更难调试和验证 |
| 3.任何模块都可以直接调用其他模块,无需采用消息传递进行通信,效率高 |
| 宏内核(大内核，整体结构) | 所有的系统功能都放在内核里(大内核结构的OS通常也采用了“模块化”的设计思想) | 1.性能高,内核内部各种功能都可以直接相互调用 | 1.内核庞大功能复杂,难以维护 |
| 2.大内核中某个功能模块出错,就可能导致整个系统崩溃 |
| 微内核 | 只把中断、原语、进程通信等最核心的功能放入内核。进程管理、文件管理、设备管理等功能以用户进程的形式运行在用户态 | 1.内核小功能少、易于维护,内核可靠性高 | 1.性能低,需要频繁的切换 用户态/核心态。用户态下的各功能模块不可以直接相互调用,只能通过内核的“消息传递”来间接通信 |
| 2.内核外的某个功能模块出错不会导致整个系统崩溃 | 2.用户态下的各功能模块不可以直接相互调用,只能通过内核的“消息传递”来间接通信 |
| 外核(exokernel) | 内核负责进程调度、进程通信等功能,外核负责为用户进程分配未经抽象的硬件资源,且由外核负责保证资源使用安全 | 1.外核可直接给用户进程分配“不虚拟、不抽象”的硬件资源,使用户进程可以更灵活的使用硬件资源 | 1.降低了系统的一致性 |
| 2.使系统变得更复杂 |
| 2.减少了虚拟硬件资源的“映射层”,提升效率 |
整体结构
（宏内核、单体结构模型、五结构模型）
模块结构
内核 :主模块+可加载内核模块
(2）模块化
模块化是将操作系统按功能划分为若干个具有一定独立性的模块。每个模块具有某方面的管理功能，并规定好各个模块之间的接口，使各模块之间能通过接口进行通信，还可以进一步将各个模块细分为若干个具有一定功能的子模块，同样也规定好各子模块之间的接口。把这种设计方法称为模块-接口法，图1.3所示为由模块、子模块等组成的模块化操作系统结构。
```mermaid
graph TD
A["操作系统"]
subgraph Module["模块"]
direction LR
M1["进程管理"]
M2["存储器管理"]
M3["文件管理"]
end
A --- M1
A --- M2
A --- M3
subgraph Submodule["子模块"]
direction LR
S1["进程控制"]
S2["进程调度"]
S3["内存分配"]
S4["内存保护"]
S5["磁盘管理"]
S6["目录管理"]
end
M1 -->S1
M1 -->S2
M2 -->S3
M2 -->S4
M3 -->S5
M3 -->S6
```
层次结构
```mermaid
graph TD
A["用户接口层,第3层"] --> B["c2"]
B -->C["1c"]
C -->D[0层硬件]
```
最底层是硬件，最高层是用户接口；每层可调用更低一层。
微内核结构
（Client/Server 模型 ）
宏内核结构
**OS 的其他分类方法**
- 用户数量：单用户 OS，多用户 OS
- 任务数量：单任务 OS，多任务 OS
单用户单任务 OS，单用户多任务 OS，多用户多任务 OS
- 计算机体系结构：微机 OS，网络 OS，多处理机 OS，分布式 OS 等
### 操作系统的硬件基础
#### 处理器
**处理器指令**
计算机的所有操作都是由处理器指令（机器指令或计算机指令）所决定的
每条处理器指令包含处理器执行所需的信息：操作码、源操作数、目的操作数和下一条指令地址
寻址方式：指令寻址和数据寻址
##### 寄存器
CPU的控制部件中，包含的寄存器有指令寄存器IR和程序计数器PC、算术逻辑单元有累加器ACC。包括通用寄存器、专用寄存器和控制寄存器。
**处理器特权级**
计算机系统中运行的程序可以分为两大类：操作系统的管理程序和用户程序。
即，CPU 上会运行两种程序，一种是操作系统内核程序，一种是应用程序。
多数系统将处理器特权级划分为管态和目态。
管态又称为系统态、核心态等，是操作系统管理程序运行时处理器所处状态。
所谓特权指令（清内存、外部设备输入输出、修改特殊寄存器、改变机器状态等）。使用系统中所有资源等等权限。
目态又称为用户态，时用户程序执行时处理器其所处的状态。
#### 存储器
磁盘的工作原理。
1. 盘面。每个盘片有两个盘面。每一个这样的有效盘面都由一个盘面号，按顺序从上至下、从0开始依次编号。磁面号又叫磁头号，因为每一个有效盘面都有对应的读写磁头。
2. 磁道。磁盘在低级格式化时被划分成许多同心圆。这些痛惜暖的轨迹叫做磁道。信息以脉冲串的形式记录再写轨迹中。磁道由外向内，从0开始顺序编号。每条磁道不是连续记录数据，而是划分成一段段圆弧。这些圆弧的角速度一样，线速度不一样。每一段圆弧叫做一个删去，删去从 1 开始编号。每个删去中断数据作为一个单元读出或写入。
3. 柱面。所有盘面上的同一磁道构成一个圆柱，称作柱面。每个援助上的磁头由上而下从0开始编号 。数据的读写按柱面进行，即从0磁头开始进行从左。只有同一柱面上所有磁头全部读写完毕后，磁头才转移到下一柱面。选取磁头只需通过电子切换，但是柱面必须通过急切切换。所以数据的读写按柱面进行，而不是盘面进行。
4. 扇区。操作系统一扇区的形式将新抄袭存储在硬磁盘上。每个扇区包含两个主要部分：扇区标识符和存储数据的数据段。每个扇区有512B。扇区标识符，又称为扇区头标，包括组成扇区三维地址的三个数字：1、盘面号 2、柱面号3、扇区号，也叫做块号
还有其余字段
CPU——进程
内存（主存）——存储器
磁盘/硬盘——文件系统
### 中断和时钟
作用：中断会使得 CPU 由用户态变为内核态，使操作系统重新夺回对 CPU 控制权。
用户态-> 内核态：由中断（包括外部中断、异常、访管指令等）引发，硬件自动完成变态过程，硬件自动将当前进程的 **PC、PSW、SS、ESP** 以及**通用寄存器**压入**主存**中的内核栈。触发中断信号意味着操作系统夺取CPU的使用权。
内核态->用户态，执行一条特权指令修改 PSW（程序状态字寄存器）的标志位为用户态，并从主存中恢复之前保存的现场（PC、ESP等）。这个动作意味着操作系统将主动让出 CPU。
当CPU响应中断时，从用户态切到内核态时，必须保存当前进程的“现场”，以便后续恢复。保存地点是**主存（内存）**。
1. **硬件上下文**：
- **PC**（程序计数器）：下一条要执行的指令的地址。
- **PS**（或 PSW，程序状态字）：记录当前的运行状态。
2. **通用寄存器**：所有正在使用的通用寄存器的值。
3. **中断/异常相关信息**：
- **错误码**：如果是异常，记录出错的具体原因。
- **中断向量号**：用于识别是哪个中断。
- 中断/异常处理程序
4. **栈信息**（针对堆栈切换）：
- **SS**（堆栈段寄存器）：内核栈的段地址。
- **ESP**（堆栈指针寄存器）：内核栈的栈顶偏移量。
按中断功能分类
| 分类 | 别称/说明 | 典型例子 |
| :------------------ | :--------------------------- | :----------------------------------------------------------- |
| **1. 输入输出中断** | I/O 中断 | 磁盘读写完成、打印机缺纸、网卡数据包到达、传输出错 |
| **2. 外中断** | 外部中断 (区别于CPU内部异常) | **时钟中断**（时间片轮转的基础）、操作员控制中断（如Ctrl+Alt+Del）、通信中断 |
| **3. 机器故障中断** | 硬件故障中断 | **电源故障**、内存读写错误（主存取指令时出错）、总线错误 |
| **4. 程序性中断** | 内部异常 (Exception) | **溢出**、除零错误、**用户态下试图执行核心态（内核态）指令**（非法操作码）、缺页异常 |
| **5. 访管中断** | 系统调用 (System Call) | 用户程序主动请求操作系统服务（如申请内存、打开文件）。这是一种**主动**进入内核态的方式。 |
**用户模式/内核模式**
要么是执行用户态中的代码——用户模式
要么执行核心态的代码——内核模式
```mermaid
graph LR
A["用户模式