操作系统概述及各类操作系统特点
第一章
1.1计算机系统的层次结构
1.1.1计算机系统简介
1.1.2计算机系统的层次结构
（1）硬件处在最低层，不附加任何软件的物理计算机.
（2）操作系统是附加在裸机上的第一层，是对裸机的首次扩充，构成了一个比裸机更强，使用更方便的“虚拟计算机”。
（3）所有系统应用程序以及更上层的用户程序在操作系统虚拟机上运行，它们受操作系统的统一管理和控制，通过操作系统
使用各种资源来完成特定的任务。
1.1.3计算机的硬件组织
1.2 操作系统的发展过程
1.2.1串行处理（手工操作）
① 没有操作系统
② 机器由带有显示灯和拨动开关、输入设备和打印机的控制台运行。
③ 运行机制：一个接一个
④ 安装：加载编译器、源程序、保存编译程序和加载和链接。
1.2.2 简单批处理
二代计算机出现：二代计算机的输入磁带是由第一代计算机的纸带或卡片成批输入作业形成，再将输出结果保存到磁带。
计算机操作特征：
– 成批控制程序的执行与输入输出
– 作业控制卡与作业控制语言
– 操作员与程序员的分离
– 资源管理程序和磁带文件系统的引入
联机批处理系统（输入输出由CPU处理）
在运行于主机上的监督程序的自动控制下，计算机可自动完成：成批地把输入机上的用户作业读入磁带，依次把磁带上的用户作业读入主机内存并执行并把计算结果向输出机输出。完成了上一批作业后，监督程序又从输入机上输入另一批作业，保存在磁带上，并按上述步骤重复处理。
脱机批处理系统（增加一台不与主机直接相连而专门用于与输入/ 输出设备打交道的卫星机。）
主机不是直接与慢速的输入/输出设备打交道，而是与速度相对较快的磁带机发生关系，有效缓解了主机与设备的矛盾。主机与卫星机可并行工作，二者分工明确，可以充分发挥主机的高速计算能力。
硬件特点：
① 内存保护（不允许监视器的内存部分被更改）
② 定时器（防止作业独占系统）
③ 特权指令（某些指令被指定成为特权，只能由监视器执行）
④ 中断
1.2.3多程序批处理系统
计算机硬件性能的不断提高导致CPU速度与I/O速度不匹配的矛盾日益突出
只有让多道程序同时进入内存争抢CPU运行才能够使得CPU和外围设备充分并行，从而提高计算机系统的使用效率
多系统
当一件工作在需要等待I/O指令时，处理器可以先开启另外的工作
处理器利用率=处理器运行时间/一个周期的时间
多道程序设计是指让多个程序同时进入计算机的主存储器进行计算
多道程序设计的特点：
① CPU与外部设备充分并行
② 外部设备之间充分并行
③ 发挥CPU的使用效率
④ 提高单位时间的算题量
操作系统的基本特征：
① 并发性 ② 共享性 ③ 虚拟技术：时分复用和空分复用 ④ 异步性
磁盘的出现：操作系统出现的基础
1.2.4 分时系统
利用多道程序处理多个交互工作
处理器的时间在多个用户之间共享。
多个用户同时通过终端访问系统。
|
多程序批处理系统 |
分时系统 |
|
|
主要目的 |
提高处理器的利用率 |
减少响应时间 |
|
操作系统指令源 |
作业提供的作业控制语言命令 |
终端输入的指令 |
|
多程序批处理重点在于多程序，分时系统重点在于多用户 |
||
|
分时系统和批处理系统的区别在于：目标不同、适应作业性质不同、资源使用率不同、作业控制方式不同。 |
||
1.3 操作系统的功能
1.3.1 什么是操作系统
用以控制和管理系统资源，方便用户使用计算机的程序的集合。
操作系统提供了一个虚拟机抽象来处理不同的硬件。
操作系统协调资源并保护用户。
操作系统通过提供标准服务和抽象来简化应用程序开发。
操作系统可以提供故障遏制、容错和故障恢复。
地位：
从系统管理员角度：计算机的资源管理者
从用户角度：良好的界面
从程序员角度：提供功能扩展的支撑平台
1.3.2 操作系统的功能
① 对计算机系统的软硬件资源（CPU、主存储器、输入/输出设备、数据文件等）进行管理
监视、合理调度、分配、回收软硬件资源
② 提供输入输出的便利，简化用户的输入输出工作；规定用户接口，以及发现并处理各种错误的发生。所以说操作系统是管家和调度。
③ 为了合理组织工作流程和方便用户使用，操作系统还应提供作业管理功能。这就构成 了操作系统的五个基本功能
处理机管理
存储器管理
设备管理
文件管理
1.4操作系统的类型
1.4.1 批处理操作系统
“批处理”包括两个含义，其一，系统可同时容纳多个作业，其二，同时有多道作业在运行
“批处理”的特点：无法实现人机交互。
作业运行步骤：用作业控制语言编制成作业说明书或作业控制卡，作业控制卡连同程序和数据一起提交给系统。
批处理的问题：
1） 用户一旦把作业提交给系统后，便失去自己对作业控制和修改能力；
2） 在批处理系统中用户提交作业后，不能马上得到所需的结果。
1.4.2 分时系统：多个用户对系统资源进行时间上的分享
特点：
① 共享性：支持多个终端用户同时工作，系统同时为这些用户提供服务，系统将CPU时间分割成相继的一个个时间间隔，每个时间间隔称为一个时间片，以循环方式依次分配给每个用户作业，由于时间片规定的时间很短，从宏观上系统同时响应每个用户作业的服务请求。
② 并行性：在一个系统中多个用户的躲到程序同时运行
③ 交互性：用户可通过终端与系统进行广泛的人机对话，直接控制其作业的运行，在开发程序时，用户可方便设计，便于调试，便于修改。分时系统的主要特点
④ 独占性：用户在各自的终端工作互不干扰，尽管时间段的规定时间很短，但每个用户可以在可以容忍的时间内得到响应，没有明显的等待时间。
响应时间是指用户发出终端命令到系统进行相应作业应答所需的时间。它是衡量分时系统性能的主要指标。
分时系统和批处理系统的区别在于：目标不同、适应作业性质不同、资源使用率不同、作业控制方式不同。
1.4.3 实时系统（实时：立即或及时）
含义：系统能及时响应随机发生的外部事件，并以足够快的速度完成对事件的处理，即计算机的运算和处理时间与被控过程或事务处理所需的真实时间相适应。
应用：实时控制，实时事务管理。
特点：
① 简单的交互能力：仅提供一些简短的键盘命令，用户可以通过中断请求系统处理实时信息，系统及时响应并作出回答，但用户不能在应用系统运行期间在终端上输入、编制和调试程序。
② 及时响应：实时系统对响应的要求比分时系统更为严格，它的及时性则是以控制对象所要求的开始截止时间和完成截止时间来确定的，一般为秒，甚至有的低于100微秒。
③ 可靠性：可靠性是分时系统的主要目标之一。
实时系统一般多具有容错管理功能，它采取了多级容错措施，来保证系统的安全的数据的安全。
应用需求：实时控制、实时信息处理
实时任务：按任务执行时是否呈现周期性（周期性与非周期行）、根据对截止时间的要求来划分（硬实时与软实时）
1.4.4 分布式操作系统
70年代中期以后，PC机和局域网的出现导致对资源共享、加速计算的需求，通过冗余设置提高了系统的可靠性，并减轻了集中计算所引发的通信负担。
1.4.5 网络操作系统（提供网络通信的网络资源管理共享功能）
通过通信设施将物理上分散的具有自治功能的多个计算机系统，互联起来的，实现信息交换、资源共享、可互操作和协作处理的系统
功能：
① 管理功能
② 服务功能
③ 网络管理和服务功能（管理、通信、资源共享、系统安全和多种网络应用服务）
分布式OS与网络OS的最大区别是：系统的透明性。
分布式OS具有高的吞吐率，更好的容错能力及可扩充性。
网络OS中，用户通过资源服务器的名称而不是通过要求提供什么样的服务来获得资源，因此网络对用户不透明。
总结
1. 操作系统是加在裸机上的第一层软件，它是整个计算机系统的核心，是系统应用程序和用户程序与硬件之间的接口。系统软件分为操作系统和各种各样的系统应用软件。
2. 多道程序系统：支持主机中同时运行多个独立的程序，这些程序共享系统的软硬件资源。
3. 操作系统的基本特征：并发性、共享性、虚拟性、异步性
4. 操作系统五大组成部分：CPU管理、存储器管理、设备管理、文件管理、作业管理。
5. 各类操作系统及其特点
|
操作系统类型 |
特点 |
|
批处理系统 |
无法实现人机交互 |
|
分时系统 |
共享性、并行性、交互性、独占性 |
|
实时系统 |
简单的交互能力、及时响应、可靠性 |
|
分布式操作系统 |
资源共享、资源地理位置分散、资源位置透明、对用户程序并行运行 |
|
网络操作系统 |
复杂性、并行性、节点机的通信与同步、安全性 |
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