计算机操作系统 (第四版汤小丹老师) 复习笔记第一章

教材为西安电子科技大学汤小丹老师第四版

1.1操作系统目标和作用

1、目标
目前存在着多种类型的OS，不同类型的OS，其目标各有所侧重。通常在计算机硬件上配置的OS，其目标有以下几点：

方便性
便于理解计算机
通过接口方便地使用
有效性
提高系统资源利用率
提高系统吞吐量
可扩充性
OS应方便修改、增加新模块或功能，以适应计算机硬件、体系结构以及应用发展的要求。
开放性
OS应提供统一的开放环境，以实现应用的可移植性和互操作性
不同的设备能通过网络加以集成，并能正确、有效地协同工作

2、作用

提供用户与计算机硬件系统之间的接口
（1）命令方式：指由OS提供了一组联机命令 (语言)，用户可通过键盘输入有关命令，来直接操纵计算机系统。
（2）系统调用方式：OS提供了一组系统调用，用户可在自己的应用程序中通过相应的系统调用，来操纵计算机。
（3）图标–窗口方式：用户通过屏幕上的窗口和图标来操纵计算机系统和运行自己的程序。
（4）其他方式
计算机系统资源的管理者
在一个计算机系统中，硬件和软件资源归纳起来可分为四类：处理器、存储器、 I/O设备以及文件(数据和程序)。相应地，OS的主要功能也正是针对这四类资源进行有效的管理。
实现了对计算机资源的抽象
一台完全无软件的计算机系统(即裸机)，即使其功能再强，也必定是难于使用的。通常把覆盖了软件的机器称为扩充机器或虚机器。

总结来说：
操作系统是控制和管理计算机系统的硬件和软件资源，合理的组织计算机工作流程以及方便用户使用的程序和数据的集合。

3、主要发展动力

不断提高计算机资源利用率
方便用户（如接口）
器件的不断更新换代（如CPU芯片的发展）
计算机体系结构的不断发展（如多处理机、网络）
不断提出新的应用需求（如多媒体、嵌入）

1.2操作系统的发展过程

1.2.1未配置操作系统的计算机系统

1.人工操作方式。这种人工操作方式有以下两方面的缺点：
(1) 用户独占全机。
(2) CPU等待人工操作。

2.脱机输入/输出(Off–Line I/O)方式
这种脱机I/O方式的主要优点如下：
(1) 减少了CPU的空闲时间。
(2) 提高I/O速度。

1.2.2批处理系统

1.单道批处理系统
单道批处理系统是最早出现的一种OS，严格地说，它只能算作是OS的前身，而并非是现在人们所理解的OS。尽管如此，该系统比起人工操作方式的系统已有很大进步。

批处理是指用户将一批作业提交给操作系统后就不再干预，由操作系统控制它们自动运行。
单道批处理系统在内存中只保持一道作业的批处理系统。

特征:
(1) 自动性
(2) 顺序性
(3) 单道性

缺点: 系统资源利用不充分。

1.2.3 多道批处理系统

多道程序设计：多个作业存放在主存中，使它们同时处于运行状态，这些作业共享处理机时间和外围设备等资源

好处:

提高CPU的利用率。
可提高内存和I/O设备利用率。
增加系统吞吐量。

需要解决的问题

处理机管理问题。
内存管理问题。
I/O设备管理问题。
文件管理问题。
作业管理问题。

1.2.4 分时系统

推动多道批处理系统形成和发展的主要动力，是提高资源利用率和系统吞吐量，那么，推动分时系统形成和发展的主要动力，则是用户的需求。或者说，分时系统是为了满足用户需求所形成的一种新型OS。它与多道批处理系统之间，有着截然不同的性能差别。

在操作系统中加入了分时技术：即将处理机的运行时间分为时间片，将时间片轮流分配给各联机作业使用。

用户的需求表现：

人—机交互。
共享主机。
便于用户上机。

特征
1.多路性
2.独立性
3.及时性
4.交互性

1.2.5 实时系统

所谓“实时”，是表示“及时”，而实时系统(RealTime System)是指系统能及时(或即时)响应外部事件的请求，在规定的时间内完成对该事件的处理，并控制所有实时任务协调一致地运行。

系统类型
(1) 实时控制与处理：工业武器控制、嵌入式系统
(2) 实时信息处理：信息查询系统、多媒体系统

实时任务类型

按任务执行时是否呈现周期性来划分
(1)周期性实时任务。
(2)非周期性实时任务。

根据对截止时间的要求来划分
(1) 硬实时任务(hard real-time task)
(2) 软实时任务(Soft real-time task)

特征：

多路性
独立性
及时性
交互性
可靠性

1.3 操作系统的基本特性

1.3.1并发

区别并行和并发
并行是指这一个时刻上面有着多个事件在执行，是一个瞬间的状态。
并发是指在某一段时间间隔以内有着多个事件同时进行。
在多道程序环境下，并发性是指在一段时间内，宏观上有多个程序在同时运行，但在单处理机系统中，每一时刻却仅能有一道程序执行，故微观上这些程序只能是分时地交替执行。

引入进程
程序为静态的，进程为程序的执行
引入线程
进程的更小的可执行单位，一个进程可以包含若干个线程

1.3.2共享

在操作系统环境下，所谓共享是指系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程(线程)共同使用。由于资源属性的不同，进程对资源共享的方式也不同，目前主要有以下两种资源共享方式：

互斥共享方式
系统中的某些资源，如打印机、磁带机，虽然它们可以提供给多个进程(线程)使用，但为使所打印或记录的结果不致造成混淆，应规定在一段时间内只允许一个进程(线程)访问该资源，我们把这种资源共享方式称为互斥式共享。
临界资源或独占资源：一段时间内只允许一个进程访问的资源。计算机系统中的大多数物理设备，以及某些软件中所用的栈、变量和表格，都属于临界资源，它们要求被互斥地共享。

同时访问方式
允许在一段时间内由多个进程 “同时”对它们进行访问。这里所谓的“同时”往往是宏观上的，而在微观上，这些进程可能是交替地对该资源进行访问。
并发和共享是多用户(多任务)OS的两个最基本的特征。它们又是互为存在的条件。

1.3.1虚拟

操作系统中的所谓“虚拟”，是指通过某种技术把一个物理实体变为若干个逻辑上的对应物。物理实体(前者)是实的，即实际存在的；而后者是虚的，是用户感觉上的东西。相应地，用于实现虚拟的技术，称为虚拟技术。在OS中利用了多种虚拟技术，分别用来实现虚拟处理机、虚拟内存、虚拟外部设备和虚拟信道等。

时分复用技术（即分时使用方式）
⑴虚拟处理机技术：在虚拟处理机技术中，是通过多道程序设计技术，让多道程序并发执行的方法，来分时使用一台处理机的。
⑵虚拟设备技术：将一台物理I/O设备虚拟为多台逻辑上的I/O设备，并允许每个用户占用一台逻辑上的I/O设备，这样便可使原来仅允许在一段时间内由一个用户访问的设备(即临界资源)，变为在一段时间内允许多个用户同时访问的共享设备。
在操作系统中，虚拟的实现主要是通过分时使用的方法。显然，如果 n nn 是某物理设备所对应的虚拟的逻辑设备数，则虚拟设备的平均速度必然是物理设备速度的1 / n 1/n1/n。

空分复用技术
⑴虚拟磁盘技术：将硬盘划分为若干个卷，机器上便会有若干个虚拟盘。
⑵虚拟存储器技术：将一台机器的物理存储器变为虚拟存储器，以便从逻辑上来扩充存储器的容量。

1.3.4异步

由于资源等因素的限制，使进程的执行通常都不是“一气呵成”，而是以“停停走走”的方式运行。
内存中的每个进程在何时能获得处理机运行，何时又因提出某种资源请求而暂停，以及进程以怎样的速度向前推进，每道程序总共需多少时间才能完成，等等，都是不可预知的。由于各用户程序性能的不同，比如，有的侧重于计算而较少需要 I/O；而又有的程序其计算少而I/O多，这样，很可能是先进入内存的作业后完成；而后进入内存的作业先完成。或者说，进程是以人们不可预知的速度向前推进，此即进程的异步性。尽管如此，但只要运行环境相同，作业经多次运行，都会获得完全相同的结果。因此，异步运行方式是允许的，是操作系统的一个重要特征。

1.4 操作系统的主要功能

1.4.1处理机管理功能

进程控制
进程同步
进程通信
调度

1.4.2存储器管理功能

内存分配
静态分配
动态分配
内存保护
地址映射
内存扩充

1.4.3设备管理功能

缓冲管理
设备分配
设备处理

1.4.4文件管理功能

文件存储空间的管理
目录管理
文件的读写管理和保护

1.4.5操作系统与用户之间的接口

用户接口
程序接口

1.4.6现代操作系统的新功能

系统安全
网络的功能和服务
支持多媒体

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