【操作系统】第一章 概论 冲鸭！！
第一章 概论
- 1.1 操作系统做什么？ P1
- 操作系统是？
- 操作系统的目标
- 1.2 操作系统的功能 P2
- 计算机系统的组成
- 操作系统设计目的
- 用户视角
- 系统视角
- 操作系统的定义
- 1.3 计算机系统体系结构 P9
- 通过采用的通用处理器的数量来分类
- 单处理器系统
- 多处理器系统（并行/紧耦合系统）
- 两种多处理模式
- 1. 对称多处理（symmetric multiprocessing，SMP）
- 2. 非对称多处理（asymmetric multiprocessing）
- 集群系统
- 1.4 操作系统结构 P13
- 批处理
- 多道程序系统
- 分时系统（time sharing system，TSS）
- 分时系统的思想
- 分时系统与多道批处理系统的区别
- 影响响应时间的因素
- 1.5 操作系统的执行 P14
- 双重模式操作
- 定时器
- 1.6 操作系统的主要功能 P17
- 进程管理
- 存储器管理
- 设备管理
- 文件管理
- 1.7 保护与安全 P21
- 1.8 操作系统分类
- 桌面系统
- 分布式系统
- 实时系统
- 手持系统
- 小结
- 习题 P35
1.1 操作系统做什么？ P1
操作系统是？
- 管理硬件
- 为应用程序提供基础
- 充当计算机硬件和用户间的接口
操作系统的目标
执行用户程序，使用户的计算变得更加容易
使计算机系统更方便使用
计算机系统的高效执行
- 方便
尤其是在一些小型个人计算机上 - 高效
对一些大型的、多用户共享的系统
由于计算资源的利用 - 在易用性和效率之间抉择
例如：部分操作系统采用的图形用户界面将占用大量的CPU时间，降低系统执行效率
1.2 操作系统的功能 P2
计算机系统的组成
1. 硬件（hardware）： 提供基本的计算资源。
eg：中央处理单元（CPU）、内存（memory）、输入/输出设备（I/O device
）。
2. 操作系统（operating system）： 控制和协调各用户的应用程序对硬件的使用。
3. 应用程序（application program）： 规定了按何种方式使用这些资源来解决用户的计算机问题。
eg：字处理程序、电子制表软件、网络浏览器、编译器、游戏。
4. 用户（user）： 人，机器，其它计算机。
图1 - 计算机系统组件的抽象视图
操作系统设计目的
从以下两方面来研究。
用户视角
- 个人计算机
- 使用方便
- 性能次要
- 不在乎资源利用率 - 大型机或小型机
- 资源利用率最大化（CPU，memory，I/O devices）
- 用户间公平共享资源 - 工作站
- 在个人可用性和资源利用率之间力求平衡
系统视角
- 操作系统即资源分配器
- 资源包括：
- CPU占用时间
- 内存（内存空间）
- 外存（文件存储空间）
- I/O设备 - 操作系统同时也是管理者
- 处理资源请求冲突
- 高效公平的操纵计算机系统
- 资源包括：
- 操作系统也是一个控制程序
- 控制用户程序的执行
- 控制对I/O设备的操作
操作系统的定义
- 没有一个被广泛接受的定义
- 操作系统是整个计算机系统的核心
- PPT上的定义： 唯一一直在运行的程序（内核 kernel），除此之外的其它所有程序都被称为应用程序。
- 书上P4的定义：操作系统是一直运行在计算机上的程序（通常称为内核 kernel）。（除了内核外，还有其他两类程序：系统程序（system program）和应用程序。前者是与系统运行有关的程序，但不是内核的一部分；后者是与系统运行无关的所有其他程序。）
1.3 计算机系统体系结构 P9
通过采用的通用处理器的数量来分类
- 单处理器系统
- 多处理器系统
- 集群系统
单处理器系统
- 有一个主CPU执行一个通用指令集，包括进程。
- 其他特定目的的处理器，运行受限指令集。
- 磁盘控制器：接受CPU请求，执行磁盘队列和调度算法。
- 键盘控制器：将击键转换为代码，发送给CPU。
多处理器系统（并行/紧耦合系统）
并行系统（parallel system）或紧耦合系统（tightly coupled system）
优点：
- 增加吞吐量
- 规模经济
- 增加可靠性
- 退化（根据剩余有效硬件的级别按一定比例继续提供服务的能力）
- 容错（超过适度退化，称为容错。）
两种多处理模式
1. 对称多处理（symmetric multiprocessing，SMP）
- 每个处理器都运行同一个操作系统的拷贝
- 多个处理器可同时运行，并在性能上不会有多大损失
- 大多数现代操作系统支持SMP。（Windows，Solaris，Mac OS X，Linux）
图2 - 对称多处理的体系结构
CPU的设计趋势：
- 将多个计算机内核设计到单个芯片上。
- N个标准处理器。
补充:
集成多个计算核到单个芯片。这种多处理器系统叫多核。
多核比多个单核更加高效，因为单片通信比多个芯片通信更快，电源消耗比单核芯片低得多。
多核系统为多处理器系统，但并不是所有多处理器系统都是多核的，参加1.3.3节集群系统。
如果不考虑体系结构，这些多核CPU对操作系统而言就像是N个标准处理器。
刀片服务器（blade server）
- 将多处理器板、I/O板和网络板全部置于同一底板上。
- 每个刀片处理器独立启动并运行各自的操作系统。
- 模糊了计算机类型的划分。
2. 非对称多处理（asymmetric multiprocessing）
- 每个处理器都有各自特定的任务
- 主处理器为从处理器调度和安排工作
- 更多用于超大型系统
集群系统
- 定义： 由两个或多个独立的系统耦合起来，共享存储并通过LAN网络紧密连接。
- 高可用性
- 非对称集群： 一台机器处于热备份模式，而另一台运行应用程序。
- 对称集群： 多个主机都运行应用程序。
1.4 操作系统结构 P13
操作系统和计算机体系结构紧密相关，相互影响。
批处理
- 输入设备：卡片阅读机、磁带驱动器
- 输出设备：行式打印机、磁带驱动器、卡片穿孔机
- 用户不直接与计算机系统交互，而是：
- 准备好任务
- 提交给计算机
- 最终，任务执行完毕，产生输出
- 整个执行过程用户无法控制
多道程序系统
基本思想：提高CPU利用率
- 将多个作业保存在内存中
- 驻留在磁盘中的作业组成作业池优缺点：
1. 资源利用率高
2. 系统吞吐量大
3. 可提高内存和I/O设备利用率
4. 平均周转时间长
5. 无交互能力
分时系统（time sharing system，TSS）
- TSS是多道程序设计的自然延伸 ——交互式计算
- CPU执行多个作业，但由于切换非常之快，用户可以在每个程序运行期间与之交互 - 交互式计算机系统提供用户与系统之间的直接通信
- 响应时间较短 - 每个用户会感到整个系统只能为自己所用。
分时系统的思想
- 时间片： 将CPU的时间划分成若干个片段，称为时间片，操作系统以时间片为单位，轮流为每个终端用户服务。
- 设计目标： 对用户的请求及时响应，并在可能条件下尽量提高系统资源的利用率。
- 适合办公自动化、教学及事务处理等要求人机会话的场合。
分时系统与多道批处理系统的区别
分时系统与多道批处理系统相比，具有完全不同的特征：
- 多路性：允许在一台主机上同时联接多台联机终端，系统按分时原则为每个用户服务。
- 独立性：每个用户各占一个终端，彼此独立操作，互不千扰。
- 及时性：用户的请求能在很短时间内获得响应。
- 交互性：用户可通过终端与系统进行广泛的人机对话。
影响响应时间的因素
- 终端数目多少
- 调度算法（时间片的选取）
- 信息交换量和信息交换速度
- 机器处理能力
- 请求服务的时间长短及服务请求的分布
终端数目越少，代表用户越少，响应时间越短
时间片越短，响应时间越短
速度越快，响应时间越短
机器处理能力越强，响应时间越短
1.5 操作系统的执行 P14
- 操作系统和用户共享了计算机系统的硬件和软件，必须保证用户程序中的一个出错仅影响正在运行的程序。
- 双重模式操作
- 定时器
双重模式操作
- 用户模式（1）和内核模式（0）
-区分用户所执行的任务和操作系统所执行的任务。 - 中断、陷阱、系统调用
定时器
- 在给定时间后中断计算机
- 维持操作系统对CPU的控制，防止用户程序陷入死循环或不调用系统服务，并且不将控制权返回到操作系统。
1.6 操作系统的主要功能 P17
从资源管理观点看，操作系统具有四大功能：
- 进程管理
- 存储器管理
- 设备管理
- 文件管理
进程管理
- 主要任务： 是对处理机的分配和运行实施有效管理。对处理机管理，可归结为对进程的管理。
- 主要功能：
- 进程控制： 创建和撤消进程以及控制进程的状态转换。
- 进程同步： 所谓进程同步是指系统对并发执行的进程进行协调。最基本的进程同步方式是使诸进程以互斥方式访问临界资源。
- 对于彼此相互合作、去完成共同任务的诸进程，则应由系统对它们的运行速度加以协调。
- 进程通信： 对于相互合作的进程，在它们运行时，相互之间往往要交换一定的信息，这种进程间所进行的信息交换称为进程通信。
- 进程调度： 当一个正在执行的进程已经完成，或因某事件而无法继续执行时，系统应进行进程调度，重新分配处理机。进程调度具有一些算法。
存储器管理
- 主要任务：
- 为多道程序的并发运行提供良好环境；
- 便于用户使用存储器；
- 提高存储器的利用率；
- 为尽量多的用户提供足够大的存储空间。
- 主要功能：
- 内存分配： 多道程序能并发执行的首要条件是，各道程序都有自己的内存空间，因此，为每道程序分配内存是存储器管理的最基本功能。
- 内存保护： 为保证各道程序都能在自己的内存空间运行而互不干扰，要求每道程序在执行时能随时检查对内存的所有访问是否合法必须防止因一道程序的错误而扰乱了其它程序，尤其应防止用户程序侵犯操作系统的内存区。
- 地址映射： 在多道程序的系统中，操作系统必须提供把程序地址空间中的逻辑地址转换为内存空间对应的物理地址的功能。
- 内存扩充： 借助于虚拟存储技术，使系统能运行内存要求量远比物理内存大得多的作业，或让更多的作业并发执行。
设备管理
主要任务：
- 为用户程序分配I/O设备；
- 完成用户程序请求的I/O操作；
- 提高CP和I/O设备的利用率；
- 改善人机界面。
主要功能：
- 缓冲管理： 利用缓冲来缓和CPU和I/O设备间速度不匹配的矛盾，和提高CPU与设备、设备与设备间操作的并行程度，以提高CPU和I/O设备的利用率。
- 设备分配： 系统根据用户所请求的设备类型和所采用的分配算法对设备进行分配，并将未获得所需设备的进程放进相应设备的等待队列。
- 设备处理： 启动指定的I/O设备，完成用户规定的I/O操作，并对由设备发来的中断请求进行及时响应，根据中断类型进行相应的处理。
- 虚拟设备功能： 系统可通过某种技术使设备成为能被多个用户共享的设备，以提高设备利用率及加速程序的执行过程。
文件管理
- 文件存储空间的管理；
- 目录管理；
- 文件读、写；
- 管理文件保护；
- 向用户提供接口。
1.7 保护与安全 P21
- 保护 是控制程序、进程或用户访问由计算机系统定义的资源的机制。
- 保护机制必须：
- 区分已经授权用户和未经授权用户
- 规定所有要进行的控制
- 提供加强控制的方法
1.8 操作系统分类
桌面系统
- 个人计算机——为单个用户设计
- I/O设备——键盘，鼠标，显示器，打印机
- 典型系统：Windows、Unix、MacOS、Linux
- 设计目标：用户方便性和响应速度
- 成本低廉，每人都可独占一台计算机 - 能很快采用为大型操作系统开发的技术
- 文件保护
- 多道程序
- 网络应用 - 可以运行不同类型的操作系统。（Windows、Unix、MacOS、Linux）
分布式系统
- 共享计算任务
- 通过网络提供功能 - 松耦合系统
- 每个处理器有各自的本地内存
- 通过各种通信线路，如高速总线或电话线来通信 - 分布式系统优点
- 资源共享
- 计算速度提高
- 可靠性
- 通信 - 需要网络设施
- 规模与类型
- 局域网（LAN）
- 广域网（WAN）
- 城域网（MAN）
- 小域网（蓝牙技术）
实时系统
- 通常用于控制特定应用的设备。如科学实验、医学成像系统、工业控制系统等 。
- 有严格时间要求
- 嵌入式系统几乎都运行实时操作系统
手持系统
- 个人数字助理（PDAs）
- 小，轻，省电
- 功能有限 - 手机
- 问题
- 内存少，必须有效管理内存
- 处理器慢
- 屏幕小
- 键盘小 - 常见的手机操作系统
- 应用在手机上的操作系统主要有Mac os、 Android、 Windows和 Linux。
小结
- 两个目标: 性能和方便
- 批处理系统, 自动切换作业, CPU 利用率低
- 多道程序设计, CPU 切换
- 分时系统，交互
- 计算机体系结构
- 操作系统操作：双模式、特权指令、内存保护、定时器中断
- 趋势: 网络的影响
- 更快的CPU，更大的内存
- 小，轻
习题 P35
- 1.1 在多道程序和分时环境中，多个用户同时共享一个系统，这种情况导致多种安全问题。
a. 列出此类的问题。
b. 我们是否能够确保分时系统达到如同专用系统一样的安全成都？并解释你的答案。
答案：
a. 窃取或者复制某用户的程序或数据；没有合理的预算来使用资源
（CPU，内存，磁盘空间，外围设备）。
b. 应该不行，因为人类设计的任何保护机制都会不可避免的被另外的人所破译，而且很自信的认为程序本身的实现是正确的是一件困难的事。
- 1.5 描述对称多处理（SMP）和非对称多处理之间的区别。多处理系统的有哪些优点和缺点？
答案：
① SMP意味着所以处理器都对等，而且IO可以在任何处理器上运行。
非对称多处理有一个主处理器控制系统，与剩下的处理器是随从关系。主处理器为从处理器安排工作，而且IO也只在主处理器上运行。
② 多处理器系统能比单处理器系统节省资金，这是因为他们能共享外设，大容量存储和电源供给。它们可以更快速的运行程序和増加可靠性。多处理器系统能比单处理器系统在软、硬件上也更复杂（增加计算量、规模经济、増加可靠性）
- 1.6 集群系统与多道程序系统的区别是什么？两台机器属于一个集群来协作提供个高可靠性的服务器的要求是什么？
答案：
① 集群系统是由多个计算机耦合成单一系统并分布于整个集群来完成计算任务。
另一方面，多道程序系统可以被看做是一个有多个CPU组成的单一的物理实体。
集群系统的耦合度比多道程序系统的要低。集群系统通过消息进行通信，而多道程序系统是通过共享的存储空间。
② 为了两台处理器提供较高的可靠性服务，两台机器上的状态必须被复制，并且要持续的更新。当一台处理器出现故时，另一台处理器能够接管故障处理的功能。
附上文章：
当初我要是这么学操作系统就好了(附思维导图)
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