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第1周_星期二_第2大节

34分钟阅读

第 1 周 星期二 第 2 大节

  • 视频：screen_操作系统与分布式计算_第1周_星期二_第2大节.mp4
  • 字幕：transcripts/第1周_星期二_第2大节.srt

时间轴

  • [01:10] 自我介绍：宋红，计算机学院老师，办公在中关村校区
  • [01:45] 元宵节
  • [03:11] 课程名称：操作系统 Operating System
  • [03:46] 评分：考试 70% + 作业 10% + 实验 20% + 课堂互动奖励 10%（共 110%）
  • [05:02] 类比：OS 如同国家政府——无政府则无序
  • [05:38] 计算机系统构成：CPU、GPU、内存、网卡、显卡、主板等
  • [07:02] OS 是硬件协同工作的软件核心
  • [08:00] OS 是人工开发的 online 管理系统（开机到关机始终在线）
  • [09:28] 课程学习目的：核心概念、结构构成、运行机制、核心算法
  • [10:46] 软件工程专业认证（华盛顿协议）
  • [11:51] OS 是专业基础课——识别系统组成、理解协作原理
  • [12:52] 课程目标：掌握 OS 概念/原理/功能/运行过程
  • [13:11] 能力迁移：进程、内存、文件、I/O 的策略和算法
  • [13:55] 实验要求：用 C/Java/Python 实现原理，进行数据分析
  • [14:35] 教学大纲 5 部分：概述、进程管理、存储管理、设备管理、文件系统
  • [16:55] 课程穿插 Linux 和华为 openEuler 实例
  • [17:22] 48 课时（36 讲课 + 12 实验）
  • [17:58] 乐学平台，课程名：操作系统与分布式计算，选课密码 OS2026
  • [18:43] 先修基础：数据结构、程序设计语言、计算机组成原理
  • [19:36] 汇编程序设计不强制
  • [20:09] 约 122 人选课，~1/6 缺勤
  • [23:22] OS 类比政府——管理资源、分配资源、协调资源
  • [24:19] 强调认真做实验、写程序
  • [24:25] 鼓励读 Linux 开源代码
  • [24:50] 无指定教材，参考书：北理工自编教材、国防科大教材、openEuler 等
  • [26:07] OS 定义之一：方便用户使用计算机
  • [27:33] OS 定义之二：提高系统资源利用率
  • [28:02] OS 层次：硬件→操作系统→应用软件（屏蔽硬件细节）
  • [29:48] OS 提供两类接口：操作接口（命令行/GUI/语音）和编程接口（系统调用/API）
  • [30:38] 操作接口：命令行、GUI、语音/视觉/多通道交互
  • [30:52] 编程接口：系统调用（API）
  • [31:17] 计算机软件构成：上层应用→公共库（数学库/图像库/GUI 库）→系统调用→内核
  • [33:04] 本课程聚焦操作系统内核（狭义 OS）
  • [33:26] 狭义 OS = 内核；广义 OS = 内核 + 系统调用 + GUI 等
  • [34:07] 硬件层次：CPU、GPU、NPU、内存、总线、外设
  • [34:34] OS 和软件存储在硬盘（关机时）或内存（运行时）
  • [35:57] 冯·诺依曼架构：软件从外存加载到内存，再与 CPU 交互
  • [36:52] OS 的不同视角：特殊的子程序集合（系统调用库）/ 资源管理者 / 应用运行平台
  • [38:09] I/O 与 CPU 并行工作——OS 协调资源不闲置
  • [38:52] 空分共享（空间复用）：内存、硬盘——分成若干块給不同应用
  • [40:28] 分时共享（时间复用）：CPU——按时间段轮流使用
  • [41:29] 独占式共享（打印机）：一个文件打完才能打印下一个
  • [42:13] 分时式共享（CPU）：可间断性穿插不同任务
  • [43:04] OS 作为资源管理者
  • [43:06] OS 作为应用运行平台——应用程序依赖 OS API
  • [44:28] 应用程序运行时：由 OS 从外存加载到内存，分配内存资源
  • [45:36] 多任务并发运行需内存隔离（类比不同班级在不同教室上课）
  • [51:49] 每个运行的程序就是一个进程
  • [52:04] PPT 课后上传乐学平台
  • [54:01] OS 发展史：单道批处理→多道批处理→分时→实时→多方式（通用）
  • [55:19] 发展阶段：50 年代单道批处理 → 60 年代多道批处理/分时/实时 → 70 年代多方式
  • [56:02] 讨论环节：AI 对 OS 发展趋势的影响
  • [56:59] ENIAC（1946 年，宾夕法尼亚大学）——弹道科学计算
  • [58:37] 早期无 OS：人工操作，程序通过打卡（纸带/卡片）输入
  • [59:28] 无 OS 时代：CPU 等待人工 IO，资源利用率极低
  • [01:00:35] CPU 与低速 IO 不匹配问题
  • [01:00:50] 监督程序 Monitor 出现——操作系统的雏形，常驻内存
  • [01:01:37] Monitor 代替人工 IO，实现自动化
  • [01:01:57] 单道方式：每次仍只执行一个任务
  • [01:02:13] 概念：作业（Job，用户一次完整上机行为）
  • [01:02:33] 概念：作业步（Job Step，上机行为分成若干步骤）
  • [01:03:13] 概念：作业控制语言（JCL）——告诉监督程序要做什么
  • [01:03:46] 概念：作业控制说明书——基于 JCL 写的作业执行程序文档
  • [01:05:21] 单道批处理处理逻辑：Monitor 监督作业运行，有错则抛出
  • [01:05:40] 单道批处理特征：自动性、顺序执行、单道
  • [01:05:56] 单道批处理没有共享功能，不是真正意义上的 OS
  • [01:06:16] 指令分类：普通指令 vs 特权指令
  • [01:06:57] 特权指令：只有 OS/监督程序能访问的指令（底层硬件访问）
  • [01:07:24] 隔离机制：应用程序不能直接访问硬件，必须经过 OS
  • [01:08:17] 核心态（kernel mode）：执行特权指令时的 CPU 状态
  • [01:09:06] 用户态（user mode）：执行普通指令时的 CPU 状态
  • [01:09:21] 系统调用（System Call）：OS 提供给用户程序的功能调用
  • [01:09:34] Trap 机制：硬件支持，从用户态切换到核心态
  • [01:10:52] 编译器在编译时自动将 trap 指令嵌入目标代码
  • [01:11:34] 系统空间 vs 用户空间：内存划分，防止用户程序干扰系统
  • [01:12:55] 存储保护：防止应用程序跨越到系统空间，防止多应用相互干扰
  • [01:13:30] 中断机制：定时器中断等
  • [01:14:02] 监督程序功能：作业 IO、按作业步解释执行、系统占用记录
  • [01:14:25] 监督程序与 OS 本质区别：监督程序不具有并发性
  • [01:15:02] 卫星机（Satellite Machine）：廉价设备，专门做 IO，将慢速设备数据提前输入到高速磁带/磁盘
  • [01:16:48] 单道批处理时代总结
  • [01:17:22] 60 年代初期：多道批处理系统、分时系统、实时系统出现
  • [01:17:46] 软件技术发展依赖硬件支撑（类比 AI 依赖 GPU）
  • [01:18:50] 多道批处理硬件基础：通道、磁盘、中断技术
  • [01:19:08] 多道批处理思想：引入 Buffer（缓冲）和 SPOOLing 技术
  • [01:19:52] 磁盘出现带来大容量存储和多应用共存
  • [01:20:29] 内存变大，可在内存中开 Buffer 提前加载数据
  • [01:21:50] Buffer 机制作用：CPU 直接从 buffer 拿数据，无需等待慢速 IO
  • [01:22:09] 中断机制：IO 设备独立工作，完成后通过中断通知 CPU
  • [01:23:05] 通道技术：一种处理机，负责内存和外存之间的数据交换
  • [01:23:55] SPOOLing 思想：用磁盘设备作为主机的直接 I/O 设备，把磁盘当大缓冲区
  • [01:25:34] 多道程序设计思想：内存同时有多个作业，CPU 交替处理
  • [01:26:01] 宏观并行（多个任务同时推进），微观串行（单 CPU 交替执行）
  • [01:26:21] 多核 CPU 可实现微观并行
  • [01:27:00] 多道示例：A 做 IO 时 CPU 执行 B 和 C
  • [01:27:51] 多道引入现场保护和恢复（寄存器值保存和恢复）
  • [01:29:28] OS 两大基本特征：并发（Concurrency）和共享（Sharing）
  • [01:30:31] 并发（一个时间段内多任务交替推进）vs 并行（同一时刻多任务同时进行）
  • [01:31:04] 单 CPU 只能并发不能并行；多核 CPU 可并行
  • [01:31:21] 多道批处理优点：资源利用率更高、吞吐量更大
  • [01:31:53] 多道批处理缺点：平均周转时间变长、无交互能力
  • [01:33:07] 批处理无交互（任务提交后等待结果）
  • [01:34:35] 键盘、显示器、鼠标等人机交互终端的出现推动 OS 发展
  • [01:35:57] 交互式系统 + 多道程序设计 = 分时操作系统
  • [01:41:21] 分时操作系统定义：一台主机服务多个用户终端，按时间片轮流服务
  • [01:42:02] 早期机房模式：大型服务器 + 多个终端（键盘 + 显示器）
  • [01:43:02] 分时特性：CPU 按时间片轮流服务不同用户任务
  • [01:43:24] 分时特点：并发、共享、人机交互、独立性、及时性
  • [01:44:24] 分时三个特征：独立性（互不干扰）、交互性（终端交互）、即时性（及时反馈）
  • [01:45:00] 实时操作系统（RTOS）：强调反馈的实时性
  • [01:45:56] 实时 vs 分时：追求目标不同（实时性 vs 交互性）
  • [01:46:23] 通用操作系统：无特定要求（Linux、UNIX）
  • [01:46:38] 实时系统特点：时间分辨度高、多级中断机制、支持实时作业调度、可剥夺非实时作业
  • [01:48:16] 不同应用场景 → OS 原理相同但实现方法有差异
  • [01:48:53] 实时 OS 总结：实时性、高可靠性、专用性（定制化）
  • [01:50:00] 多方式操作系统（通用 OS）：兼具批处理、分时、实时功能
  • [01:51:03] 分布式操作系统：支撑云平台、大模型运算，支持网络、负载均衡、数据共享
  • [01:53:03] 个人电脑 OS：Windows 为代表
  • [01:53:20] Windows 是第一个有友好 GUI 的操作系统
  • [01:53:49] 嵌入式操作系统：智能手机、Pad、车载（鸿蒙、iOS）
  • [01:54:17] 并行操作系统（多核/多卡调度）、网络操作系统
  • [01:55:52] 本课程讲解通用操作系统底层原理（Linux 等）
  • [01:56:23] Windows 系列：DOS（命令行）→ GUI 封装（Windows 3.0/95/NT → 11）
  • [01:58:55] Windows 最大贡献：GUI 图形用户界面（所见即所得）
  • [02:00:15] 服务器/工作站 OS：UNIX 系列（IBM、HP、Sun Solaris）
  • [02:01:48] UNIX 由贝尔实验室开发，用于服务器和工作站
  • [02:02:43] Linux：由学生 Linus Torvalds 开发，完全开源的内核
  • [02:03:40] 主流 OS 发展脉络：Windows / UNIX / Linux
  • [02:04:43] 国防科大在操作系统领域贡献突出
  • [02:05:51] openEuler（华为）：基于 Linux 内核优化
  • [02:06:12] 北理工信创学院构建国产平台生态
  • [02:06:52] OS 四大特征：并发性、共享性、虚拟性、随机性
  • [02:07:14] 并发带来的问题：任务切换、活动隔离、交互通信、数据一致性
  • [02:08:23] 共享带来的问题：互斥访问、正确访问同步
  • [02:09:14] 虚拟性：物理实体→逻辑实体（屏蔽硬件细节）
  • [02:10:12] 虚拟性示例：虚拟机（一台主机模拟多台独立虚拟实体）
  • [02:10:54] 随机性：并发程序以不可预知速度推进、不可再现性
  • [02:11:28] 推进进度不可预知，但执行结果确定（输入确定则输出确定）
  • [02:13:24] 大模型讨论：AI 与 OS 双向奔赴
  • [02:14:09] AI 作为赋能工具
  • [02:15:21] AI 改变 OS 交互方式：语音/视觉/脑机接口 → 意图理解
  • [02:17:03] 未来交互：鼠标键盘消失，说说话、做表情即可操作
  • [02:17:25] 统信 UOS 已尝试融入 AI 意图理解
  • [02:18:17] 目标导向接口 / 声明式 OS 接口（DMI）
  • [02:19:18] 未来 OS：意图理解和任务规划
  • [02:19:23] AI 三要素：算力（异构 GPU/CPU/NPU）、数据、算法
  • [02:20:12] OS 协调异构算力协同
  • [02:21:57] OS 内存优化加速大模型响应时间
  • [02:23:18] 传统 OS 与 AI 时代 OS 对比：交互方式（手动→意图理解）、核心角色（资源管理→任务规划）、优化目标（利用率→推理效率）、应用生态（App→Agent）、底层架构（CPU 中心→异构算力）
  • [02:24:36] 底层原理始终重要——学好原理才能不被 AI 替代，为 AI 服务

关键点

考勤/签到/小测

  • 约 122 人选课，~1/6 缺勤，老师点名提醒
  • 老师不会正式点名，但强调课堂是最有效率的学习场所

作业

  • 作业 10%，实验 20%，要求独立完成（禁止 CTRL+C/V）
  • 鼓励讨论但代码必须自己写
  • 实验需用 C/Java/Python 实现 OS 原理并做数据分析

考试/复习重点

  • 期末 70%，考察原理理解（不是死记硬背）
  • 考查概念区分：并发 vs 并行、核心态 vs 用户态、特权指令 vs 普通指令、空分共享 vs 分时共享
  • OS 发展史各阶段特征及优缺点
  • OS 四大特征（并发/共享/虚拟/随机）及各自带来的问题
  • 掌握监督程序与真正 OS 的本质区别（有无并发性）
  • 无指定教材，参考书：北理工自编教材、国防科大教材、openEuler 等

其他需要回看的片段

  • [01:05:53] 核心态/用户态、特权指令/普通指令、trap 机制、系统调用——OS 安全基础
  • [01:29:28] 并发 vs 并行区分
  • [01:11:34] 系统空间 vs 用户空间、存储保护
  • [01:13:30] 中断机制（定时器中断）
  • [01:15:02] 卫星机、通道技术、SPOOLing 技术
  • [01:19:08] 多道批处理硬件基础：通道 + 磁盘 + 中断 +Buffering
  • [01:27:51] 现场保护和恢复（上下文切换）
  • [01:35:57] 分时操作系统定义和特征
  • [01:45:00] 实时操作系统特征（时间分辨度、多级中断、剥夺式调度）
  • [02:06:52] OS 四大特征详解（并发性、共享性、虚拟性、随机性）
  • [02:15:21] AI 与 OS 双向奔赴

知识点详解

一、操作系统概述

1. OS 的定义与角色

  • 定义：OS 是计算机系统中最核心的系统软件，是硬件与上层应用之间的桥梁。
  • 资源管理者：管理 CPU、内存、硬盘、I/O 设备等软硬件资源，协调它们高效工作，减少闲置。
  • 应用运行平台：为上层应用程序提供运行环境（进程加载、内存分配、设备访问等）。
  • 两类接口：
    • 操作接口：命令行（CLI）、图形界面（GUI）、语音/视觉等多通道交互
    • 编程接口：系统调用（API），供开发者调用 OS 功能
  • 类比：OS 如同国家政府，管理资源、分配资源、协调资源，让计算机系统有序高效运转。
  • Online 特性：从开机到关机始终在线，持续提供服务。
  • 狭义 OS = 内核（本课程聚焦的内容）；广义 OS = 内核 + 系统调用 + GUI + 其他系统组件。

2. OS 的层次定位

  • 底层：硬件（CPU、GPU、内存、总线、外设等）
  • 中间层：操作系统（屏蔽硬件细节，提供抽象接口）
  • 上层：系统软件（编译器、编辑器、数据库）→ 应用软件
  • 公共库（数学库、图像处理库、GUI 库）建立在系统调用之上，供上层应用调用

3. 冯·诺依曼架构

  • 关机时：OS 和应用软件存储在硬盘（外存）
  • 运行时：代码和数据从外存加载到内存，再与 CPU 交互
  • OS 负责：程序加载、内存分配、多任务隔离

4. OS 的软件定位

  • OS 本身就是一个系统软件，由人工开发
  • 可视为特殊的子程序集合（系统调用库）
  • 也是资源管理者（协调软硬件资源，提高利用率）

二、资源共享方式

1. 空分共享（空间复用）

  • 资源按空间划分，多个应用各占一块
  • 典型：内存（不同应用加载到不同区域）、硬盘（成千上万文件共享硬盘空间）
  • 特征：物理上划分成若干块分配给不同使用者

2. 分时共享（时间复用）

  • 资源按时间段轮流使用
  • 典型：CPU（不同任务按时间片交替使用）
  • 特征：一个时间段 A 用，下一时间段 B 用

3. 独占式共享 vs 分时式共享

  • 独占式共享：一个资源一次只能被一个任务使用（如打印机——一个文件打完才能打印下一个）
  • 分时式共享：一个资源可间断性地被多个任务穿插使用（如 CPU——A 任务可被 B 任务打断穿插）

三、操作系统发展史

1. 无 OS 时代（1940s-1950s 初）

  • ENIAC（1946 年，宾大）：弹道科学计算，占地整间屋子
  • 人工操作，程序通过打卡（纸带/卡片）输入
  • 问题：CPU 高速计算 vs 人工低速 IO → 极大资源浪费，CPU 大部分时间在等待

2. 单道批处理系统（1950s）

  • 监督程序 Monitor：OS 的雏形，常驻内存，代替人工 IO
  • 自动性：一批任务预先装好，由 Monitor 依次启动
  • 单道：每次只执行一个任务
  • 核心概念：
    • 作业（Job）：用户一次完整上机行为
    • 作业步（Job Step）：一次上机分成若干步骤（输入→计算→输出）
    • 作业控制语言（JCL）：描述任务的执行顺序和方式
    • 作业控制说明书：基于 JCL 写的文档，由 Monitor 监督执行
  • 特征：自动性、顺序性、单道
  • 缺点：无共享能力，不是真正意义上的 OS（本质区别：无并发性）

3. 多道批处理系统（1960s）

  • 硬件基础：通道技术、磁盘技术、中断技术
  • 核心思想：内存中同时加载多个作业，CPU 交替执行
  • 关键新技术：
    • Buffer（缓冲）：提前把数据加载到内存 buffer，CPU 直接从 buffer 取
    • 通道（Channel）：一种专用处理机，负责内存和外存间的数据交换
    • 中断（Interrupt）：I/O 设备完成后主动通知 CPU，CPU 可去干别的事
    • SPOOLing：把磁盘作为大缓冲区，慢速设备→磁盘→内存→CPU
    • 卫星机（Satellite Machine）：廉价专用设备只做 IO，解放 CPU
  • 特征：宏观并行（多任务同时推进），微观串行（单 CPU 交替执行）
  • 优缺点：
    • 优点：资源利用率更高、吞吐量更大
    • 缺点：平均周转时间变长（单个任务完成时间拉长）、无交互能力
  • OS 两大基本特征在此产生：并发（Concurrency）和共享（Sharing）

4. 分时操作系统（1960s）

  • 推动力：键盘、鼠标、显示器等交互终端的出现
  • 定义：交互式系统 + 多道程序设计思想的结合
  • 原理：CPU 按时间片轮流服务于多个用户终端
  • 早期模式：大型服务器 + 多个终端（键盘 + 显示器），每人通过终端连接服务器
  • 特征：
    • 并发：多个用户同时使用计算机
    • 共享：多个任务共享主机资源
    • 交互性：用户通过终端与系统实时交互
    • 独立性：各终端互不干扰
    • 及时性：在可接受响应时间内反馈

5. 实时操作系统（RTOS，1960s）

  • 定义：强调反馈实时性，用于对时间要求严格的场景
  • 典型场景：高铁控制、飞行控制、武器系统、智能制造、医疗设备、订票系统、银行系统
  • 特征：
    • 实时性：时间分辨度高，能及时响应中断
    • 高可靠性：系统的稳定性和可靠性要求极高
    • 专用性：定制化系统，非通用
    • 多级中断机制：保障快速响应和处理中断
    • 剥夺式调度：实时任务可无条件剥夺非实时任务的 CPU
  • 与分时区别：追求目标不同（实时性 vs 交互性），应用场景不同

6. 多方式（通用）操作系统（1970s 至今）

  • 定义：兼具批处理、分时、实时功能的通用操作系统
  • 典型：Windows、Linux、UNIX

7. 现代 OS 类型

  • 分布式 OS：支撑云计算、大模型，管理跨节点任务（负载均衡、数据共享）
  • 个人电脑 OS：Windows（DOS → GUI，3.0/95/NT → 11）
  • 嵌入式 OS：智能手机（鸿蒙、iOS）、智能驾驶、Pad
  • 并行 OS：多核/多卡的任务分配与调度
  • 网络 OS：网络环境下的资源管理
  • 服务器/工作站 OS：UNIX 系列（Sun Solaris、HP-UX、IBM AIX）

四、处理器状态与保护机制

1. 指令分类

  • 普通指令：用户程序和系统程序都可执行的指令
  • 特权指令：只有 OS/监督程序能执行的指令（底层硬件访问）
  • 目的：将硬件与上层应用隔离，防止恶意或有缺陷的程序导致系统瘫痪

2. CPU 运行模式

  • 核心态（Kernel Mode）：CPU 执行特权指令时的状态，OS 在此运行
  • 用户态（User Mode）：CPU 执行普通指令时的状态，应用程序在此运行
  • 态与指令必须匹配：特权指令只能在核心态执行

3. 系统调用与 Trap 机制

  • 系统调用：OS 提供给用户程序的功能接口（API）
  • Trap 机制：硬件支持的从用户态切换到核心态的机制
  • 执行流程：应用程序执行系统调用 → 编译器在编译时嵌入 trap 指令 → CPU 执行 trap 指令 → 从用户态切换到核心态 → 执行内核代码 → 返回用户态

4. 内存空间划分

  • 系统空间：OS 内核代码存放的内存区域
  • 用户空间：应用程序存放的内存区域
  • 存储保护：
    • 防止应用程序跨越到系统空间
    • 防止多个应用程序之间相互干扰
    • 详细机制在存储管理章节讲解

5. 中断机制

  • 定时器中断：在固定时间间隔执行特定任务
  • I/O 完成后通过中断通知 CPU，CPU 无需轮询等待

五、并发与并行

概念定义特征
并发（Concurrency）一个时间段内有多个任务交替推进同一时间段推进，单 CPU 即可实现
并行（Parallelism）同一时刻有多个任务同时进行同一时刻执行，需要多核/多 CPU 支持
  • 早期单 CPU 只能并发不能并行
  • 现在多核 CPU 可同时实现并发和并行

六、OS 的四大特征

1. 并发性（Concurrency）

  • 多个任务在同一时间段内交替执行
  • 带来的问题：任务如何切换、活动如何隔离、如何通信协作、如何保证数据一致性

2. 共享性（Sharing）

  • 并发运行的程序共享使用存储资源和 CPU 资源
  • 带来的问题：如何互斥访问、如何正确同步、如何可靠共享软硬件资源

3. 虚拟性（Virtual）

  • 通过 OS 接口屏蔽底层物理实体细节
    • 物理上一个实体 → 逻辑上多个实体（如一台主机虚拟多台虚拟机）
    • 物理上多个实体 → 逻辑上一个抽象实体
  • 示例：虚拟存储管理、虚拟机技术

4. 随机性（Randomness）

  • 并发程序推进速度不可预知
  • 程序到达时间、执行功能、执行时间均不可预知
  • 注意：随机性是指执行进度不确定，而不是执行结果不确定（输入确定则结果确定）
  • 软硬件中断发生也是随机的

七、主流操作系统家族

1. Windows 系列

  • DOS（Disk Operating System，命令行交互）
  • 封装 GUI → Windows 3.0/95/NT → Windows 11
  • 最大贡献：图形用户界面，让计算机普及到家庭

2. UNIX 系列

  • 贝尔实验室开发
  • 主要用于服务器和工作站
  • 衍生版本：Sun Solaris、HP-UX、IBM AIX

3. Linux

  • 由学生 Linus Torvalds 开发（基于 FreeBSD）
  • 完全开源的内核
  • 国产 OS 基于 Linux：openEuler（华为）、鸿蒙等
  • 北理工信创学院参与国产操作系统生态构建

4. 嵌入式 OS

  • 鸿蒙（HarmonyOS）、iOS
  • 用于智能手机、智能驾驶、Pad 等

八、AI 与操作系统的双向奔赴

1. AI 对 OS 的改变

  • 交互方式：从命令行/GUI → 语音、视觉、脑机接口、意图理解
  • 核心角色：从资源管理调度 → 任务理解和规划
  • 目标导向接口（DMI） / 声明式 OS 接口：用户只需表达意图，OS 自动拆解任务执行
  • 统信 UOS 已在尝试融入 AI 意图理解

2. OS 对 AI 的支撑

  • 异构算力协同：OS 协调 CPU、GPU、NPU 等不同计算单元
  • 内存优化：提升大模型响应时间
  • 任务调度：提升推理效率和训练吞吐量

3. 传统 OS vs AI 时代 OS

方面传统 OSAI 时代 OS
交互方式手动操作意图理解
核心角色资源管理调度任务理解和规划
优化目标资源利用率Agent 推理效率
应用生态开发 App开发模型 Agent
底层架构CPU 为中心异构算力平台

4. 底层原理的重要性

  • AI 时代 OS 的外延在变，但底层原理相通
  • 学好原理才能更好地做算法优化和衍生，成为为 AI 赋能的开发者

省流

  • 第一节课为课程导论 + OS 概述。老师宋红，评分：考试 70% + 作业 10% + 实验 20% + 互动 10% = 110%。48 课时（36 讲课 + 12 实验）。乐学选课密码 OS2026，无教材但提供参考书目。
  • OS 定义 = 资源管理者 + 应用运行平台，提供命令接口和编程接口（系统调用/API）。
  • 资源共享方式：空分共享（内存/硬盘，空间划分）和分时共享（CPU，时间划分）。
  • 发展史：无 OS（人工打卡）→ 单道批处理（Monitor 雏形，自动顺序单道）→ 多道批处理（硬件基础：通道 + 磁盘 + 中断 +Buffering+SPOOLing，宏观并发微观串行，优点：利用率高/吞吐量大，缺点：周转时间长/无交互）→ 分时（交互式 + 多道，时间片轮流服务终端，并发/共享/交互/独立/及时）→ 实时（高铁/飞行控制，实时性/高可靠/专用/多级中断/剥夺式调度）→ 通用 OS（兼批处理/分时/实时）→ 分布式 OS（云平台/大模型）。
  • 核心态 vs 用户态：特权指令只能在核心态执行，普通指令在用户态执行。应用→系统调用→trap 指令→切换到核心态执行。
  • 系统空间 vs 用户空间：内存分两块防止干扰。存储保护防止应用越界。
  • 并发 vs 并行：同一时间段交替（单 CPU 可实现）vs 同一时刻同时（需多核）。
  • OS 四大特征：并发性（任务切换/隔离/通信/数据一致性）、共享性（互斥访问/同步）、虚拟性（物理→逻辑抽象，如虚拟机）、随机性（推进速度不可预知但结果确定）。
  • 主流 OS：Windows（DOS→GUI 系列）、UNIX（贝尔实验室，服务器/工作站）、Linux（开源，内核由 Linus 开发）、嵌入式（鸿蒙/iOS）。
  • AI 与 OS：交互方式向意图理解发展（脑机接口/语音/视觉），核心角色从资源管理向任务规划演进，底层原则持续关键。
  • 该课堂穿插 Linux 和 openEuler 实例讲解，适合结合实操学习。

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