操作系统学习-1. 操作系统的目标和作用

写在前面：

这个类别将记录我学习操作系统的学习笔记。会将视频讲解与书本内容进行内容提炼。每天学习一点，坚持下来会有收获。这篇主要记述操作系统的目标与作用，回顾操作系统发展历程。概念居多，了解即可。

操作系统的目标：

1.有效性：包含两个方面的含义：
（1）提高系统资源利用率。使CPU与I/O设备保持忙碌状态而得到有效利用。使内存与外存中的数据因有序而节省空间。
（2）提高系统吞吐量。合理组织计算机工作流程，改善资源利用率，加速程序运行，缩短程序运行周期。

2.方便性：使计算机更容易使用。硬件只识别0与1，那么如果没有OS，用户要使用计算机就需要使用单纯的0与1的字符串来操作机器。有了OS，用户可以直接使用OS提供的各种命令来操作机器。

3.可扩充性：要能适应计算机硬件、网络、体系结构与应用发展的要求。保持对上接口可扩充。应采用层次化结构，能方便对OS进行扩充。比如现在采用的微内核结构与客户服务器模式。

4.开放性：系统能遵循世界标准规范，遵循开放系统互连(OSI)国际标准。

随着计算机技术的发展，有效性在最开始的时候更加重要，但后来方便性更加重要，现在随着技术发展，可扩充性与开放性也是必须要考虑的点。

操作系统的作用：

1.OS作为用户与计算机硬件系统之间的接口。OS处于用户与硬件系统之间。OS可通过：
（1）命令方式（如DOS命令行操作）；
（2）系统调用方式（如系统提供对硬件操作函数）；
（3）图形、窗口方式（各种用户图形界面）。

2.OS作为计算机系统资源的管理者。主要管理四类资源：
（1）处理器管理：分配和控制处理机；
（2）存储器管理：内存的分配与回收；
（3）I/O设备管理：I/O设备的分配与操作；
（4）文件管理：文件的存取、共享与保护。

3.OS实现对计算机资源的抽象。OS用作扩充机器也叫做虚拟机，在只有硬件接口的裸机上提供了一层软件接口，使用户不用直接面对0与1的硬件电路，而采用OS提供的各种命令。

操作系统的发展过程：

1.无操作系统的计算机系统
最开始是人工操作方式，然后产生脱机输入/输出方式。事先将装有用户程序和数据的纸带装入纸带输入机，在一台外围机的控制下，把纸带上的数据与程序输入到磁带上。当CPU需要这些程序和书局时，再从磁带上将其高速调入内存。

2.单道批处理系统
一批作业以脱机方式输入到磁带上，在监督程序的控制下连续处理。作业就是从程序提交到外存上，到计算机完整执行并输出结果为止的一套完整流程的任务。
特征：（1）自动性，无人工干预；（2）顺序性，按进入内存的先后执行；（3）单道性，内存中只保持一道作业。
但缺点就是不能很好的利用系统资源。而且开弓没有回头箭，这样的系统没有用户交互能力，因此修改与调试非常不方便。

有关于作业的概念可参考后面的学习内容：操作系统学习-10.处理机调度层次与队列模型。

3.多道批处理系统
多道：内存中同时存放多个相互独立的程序。多道技术是共享的基础。

4.分时系统
分时操作系统能将一台计算机提供给多个用户同时使用，这里的同时再是人的感知时间段内，比如1~3s。提高计算机的利用效率。分时系统常被用于查询系统中，满足众多查询用户的需要。分时系统的特征有：
(1)多路性。允许一台主机被多台联机终端连接，系统按分时原则为每个用户提供服务。微观上，每个用户作业轮流运行一个时间片。多路性也是同时性。
(2)独立性。每个用户独占一格终端，彼此互不干扰，这样每个用户感觉自己一人使用主机。
(3)及时性。用户请求能在1~3s内获得响应，机器反映在人们等待时限内。
(4)交互性。用户可以通过终端向系统请求多种服务，如文件编辑、数据处理与资源共享等。

5.实时系统
实时操作系统是指系统能及时响应外部事件的请求，在规定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执行。注意实时系统对响应时间要求更加严格，常用于一些特定领域的需求。比如实时控制，如武器火力系统系统、飞机自动驾驶系统、导弹制导系统等。还有实时信息处理需求，比如早期订票系统，情报检索系统等。

实时系统与分时系统的特征比较：
(1)多路性。实时系统在系统周期性对多路现场信息进行采集。分时系统根据用户情况有关，时多时少。
(2)独立性。各系统终端都要求彼此独立，互不干扰。
(3)及时性。实时信息处理系统与分时系统都以人能接受的等待时间来确定系统响应时间。但实时控制系统一般为秒级到毫秒级。
(4)交互性。实时信息处理系统中人与系统的交互仅限于访问系统某些特定专用程序。相比分时系统交互性更好。
(5)可靠性。实时系统更可靠。往往采用多级容错措施来保证系统与数据的安全。