第1章操作系统引论

操作系统

①是配置在计算机硬件上的第一层软件，是对硬件系统的首次扩充，

②主要用于管理硬件设备，提高他们的利用率和系统吞吐量

③为用户和应用程序提供简单的接口，以便用户和应用程序使用硬件设备

④OS是计算机系统中最基础，最重要的系统软件

操作系统的目标

①方便性，如果计算机只有硬件系统，操作员只能通过机器指令进行编程，具体按钮进行操作，十分繁杂，有了操作系统就可以屏蔽部分机器指令，用户可以通过高级语言编码，经编译程序翻译为机器语言，执行指令或者直接使用OS提供的各种命令来操作计算机

②有效性，提高系统资源的利用率，提高系统的吞吐量，有效管理与控制软硬件资源

③可扩充性，适应计算机硬件，体系结构以及应用发展的要求；OS从早期的无结构发展为模块化结构，到分层式结构，再到近年来的微内核结构/外核；结构可方便添加新的功能和模块，以及对原有功能模块进行修改，具有良好的可扩充性，扩充软硬件不会对OS产生很大影响

④开放性，为解决计算机软硬件兼容问题；系统遵循国际标准，特别是遵循开放系统互连参考模型（open system interconnect, OSI）

其中方便性和有效性是OS最重要的两个目标

操作系统的作用

对计算机系统进行统一管理与调度，提供各种强有力的服务，人机交互，资源管理，资源抽象等

1.OS作为用户与计算机硬件系统之间的接口；向上提供服务，向下管理资源；

2.OS作为计算机系统资源的管理者

计算机中含有多种软件资源和硬件资源，这些资源大致分为4类：处理机，存储器，I/O设备，文件资源/信息（程序和数据）

操作系统的对应功能就是针对这四类资源的有效管理，处理机管理负责处理机的分配与控制；存储器管理负责内存的分配与控制；I/O设备管理负责I/O设备的分配（回收）与操纵；文件管理负责文件的存取，共享与保护等。

3.OS实现了对计算机资源的抽象

在裸机上铺设的I/O软件，隐藏了I/O设备的具体细节，向上提供了一组抽象的I/O设备

OS的工作补充

完成程序的执行；完成与硬件相关的工作；完成与应用无关的工作；计算机的效率与安全问题（OS的安全问题）

课后实践

OS原理与实际运用OS的关系

操作系统发展的主要动力

1.不断提供的计算机系统资源的利用率

2.方便用户

3.器件不断更新换代

4.计算机体系结构不断发展

5.不断提出新的应用要求

操作系统的发展过程

手工操作—>简单批处理—>多道批处理—>分时系统—>实时系统—>微机，多处理机，网络，分布式OS

未配置操作系统的计算机

1.人工操作方式

特点：用户独占全机，CPU等待人工操作

缺点：人工操作的方式严重降低了计算机资源的利用率（问题主要表现在，人工操作方式下纸带的装填速度，明显慢于CPU的运行速度），所谓人机矛盾；CPU与I/O设备之间速度不匹配的矛盾更加突出；

解决方式：通道技术，缓存技术，但并未很好地解决上述矛盾，直至引入脱机I/O技术

2.脱机I/O方式

优点：

减少CPU的空闲时间——数据是在外围机控制下输入到高速磁带当中，脱机控制，并不占用主机时间

提高了I/O速度——当CPU需要数据时，数据直接从高速磁带输入内存，极大提高了I/O速度，进一步减少了CPU空闲时间

为解决CPU与I/O设备之间速度不匹配的问题

由于程序和数据的输入和输出都是在外围机的控制下完成的，或者说，他们都是在脱离主机的情况下进行的，故称其为脱机控制方式

（将要输入的的用户程序和数据通过外围机输入到磁带当中保存，当CPU需要这些程序和数据时再通过磁带调入内存；当需要输出时，CPU将数据从内存高速地送到磁带上，然后在另一台外围机的控制下将数据通过相应的输出设备输出）

单道批处理系统

特性与研发目的

自动性：作业挨个处理，无人工干预

单道性：内存中仅有一道程序，顺序性（先进先出）

单道批处理系统研发目的：为了能充分提高计算机的利用率，应尽量保持系统连续运行，即使其在处理完一个作业后，紧接着处理下一个作业，减少系统空闲时间

单道批处理系统的处理过程

作业以脱机方式输入到磁带上，并在系统中配上监督程序。在监督程序的控制下，这批作业能一个接一个地被连续处理；

处理过程：监督程序将磁带上的第一个作业装入内存，并把运行控制权交给该作业；当作业处理完成时，又把运行控制权交还给监督程序，直到这批作业处理完毕；

单通道批处理系统的流程图

单道批处理系统的缺点

系统中的资源得不到充分利用——内存中仅有一道程序，每逢该程序在运行中发出I/O请求后，CPU便会处于等待状态，并且必须在该程序I/O完成后才能继续运行

计算机内存资源被浪费，多种I/O设备也未被很好利用

多道批处理系统

多道程序设计的基本概念

多道——宏观并行，微观串行，内存同时驻留多道程序容许并发执行

无序性——受资源影响，进出顺序不一致

成批处理

设计目的：为进一步提高资源利用率和系统吞吐量

执行流程：用户所提交作业放于外存，并形成一个“后备队列”

作业调度程序按一定的算法从后备队列中选择若干个作业调入内存，使他们共享CPU和系统中的各种资源；

由于内存中装有若干道程序，在运行程序A时，利用因其I/O操作而暂停执行时的CPU空挡时间，再调度另一道程序B执行

多道批处理系统的优缺点

资源利用率高

系统吞吐量大

平均周转时间长

无交互能力

多道批处理系统需解决的问题

争用处理机问题

内存分配与保护问题

I/O设备分配问题

文件的组织与管理问题

作业管理问题

用户与系统的接口问题

OS是一组能有效地组织和管理计算机软硬件资源，合理地对各类作业进行调度，以及方便用户使用的程序集合

分时系统

分时系统的引入

为满足人机交互的需求

特点：人机交互，共享主机

分时系统：在一台主机上连接多个配有显示器和键盘的终端所形成的系统

分时系统实现过程的关键

及时接收——多路卡，实现多路复用；配置缓冲区

及时处理——作业直接进入内存，只进行一次调度，作业直给CPU；引入时间片，轮转运行方式（2s响应 2ms处理）

分时系统的特征

多路性，多终端同连一台主机，按分时原则为每个用户服务

独立性，feeling 一人独占主机

及时性，用户的请求能在很短的时间内得到相应(通常为1-3s)

交互性，用户通过终端与系统进行广泛的人机对话

实时系统

实时系统——系统能及时响应外部事件的请求，在规定事件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

实时系统的类型

工业控制系统

信息查询系统

多媒体系统

嵌入式系统

实时性任务的类型

周期性实时任务和非周期性实时任务

硬实时任务和软实时任务（对截至时间的要求）

实时系统与分时系统特征的比较

实时控制系统——周期性对多路现场进行信息采集，并对多个对象或多个执行机构进行控制

多路性——装置与设备，对多个执行机构进行控制

独立性——独立控制某一装置，设备

及时性——画面流畅，声音连贯

交互性

可靠性

微机操作系统

单用户单任务OS（早期的8，16位OS，用户上机，仅用于单个任务）

单用户多任务OS

多用户多任务OS

提高算力的两种方式：量大，性能高

嵌入式操作系统

嵌入式系统——专用计算机系统

嵌入式OS——基于嵌入式系统的OS

嵌入式OS的特点

系统内核小——一般用于小型电子装置，系统资源相对有限，因此其内核较传统OS要小的多

系统精简——既可以控制系统成本也有利于系统安全

实时性高——嵌入式系统的基本要求

具有可配置性

网络操作系统

什么是网络操作系统

用于计算机网络环境下对网络资源进行管理和控制，实现数据通信及对网络资源的共享，为用户提供网络资源接口的一组软件和规程的集合。

网络操作系统建立在网络中的计算机各自不同的单处理OS上，为用户提供使用网络资源的桥梁

常见的局域网上的OS有UNIX，linux等

网络操作系统的特征

硬件独立性，接口一致性，资源透明性，系统可靠性，执行并行性

网络OS的功能

网络OS涵盖了单处理机OS的全部功能，还具有支持数据通信，应用互操作，网络管理等功能

为实现网络中计算机之间的数据通信，网络操作系统具有如下基本功能:
①连接的建立与拆除；

②报文的分解与组装；

③传输控制；

④流量控制；

⑤差错的检测与纠正；

分布式操作系统

分布式系统

分布式系统（distributed system），基于软件实现的多处理机系统，是多个处理机通过通信线路互联而构成的松散耦合系统，系统的处理和控制功能分散在各个处理机上；

分布式操作系统是利用软件系统方式构建在计算机网络上的一种多处理机系统；

分布式OS的特点

分布性

透明性

同一性

全局性

分布式OS的功能

涵盖单机处理机OS的主要功能

通信管理功能

资源管理功能

进程管理功能

操作系统的基本特性

并发与并行

系统中的程序可以并发执行，从而有效提高了系统的资源利用率，提高了系统的吞吐量

并行：两个或多个事件在同一时刻发生

并发：两个或多个事物在同一间隔时间内发生

缺点:使系统复杂化，共享CPU，内存，I/O设备，发生资源争夺

共享

互斥共享，在一段时间内只允许一个进程访问，如打印机，磁带机，栈，变量，表格等；协调不好可能会产生死锁；在一段时间内只允许一个进程访问的资源称为临界资源（或独占资源）

同时共享

在一段时间内，允许多个进程对其进行访问（宏观同时，微观交替进行）如，磁盘设备（不会导致死锁），可重入代码编写的文档

虚拟

时分复用技术

在为某一用户服务的空闲时间，转而去为另一用户服务

虚拟机处理机技术，利用多道程序设计技术，为每道程序建立至少一个进程，使多道程序并发执行；我们把用户所感受到的处理机称为虚拟处理机

虚拟设备技术，将物理上的I/O设备，虚拟为多台逻辑上的I/O设备，并允许每个用户占一台逻辑上的I/O设备

空分复用技术

利用存储器的空闲时间（如某道程序阻塞时被换出到外存而空出来的内存空间）来存放其他程序以提高内存的利用率

虚拟存储技术

本质：实现内存的分时复用（一次只抽取程序的部分在内存当中运行），逻辑上扩充内存含量

磁盘：磁道与扇区；引导程序存放在0磁—0扇区，引导程序定位到OS内核（精简版的OS），并将其加载到内存中

异步

由于资源等因素的限制，进程通常不是一下执行完毕（一气呵成），而是以走走停停的方式；

操作系统的运行环境

硬件支持

操作系统内核

常驻内存，与硬件紧密相关

ctrl C 操作员控制中断

内核功能：
1.支撑功能

①中断处理

②时钟管理

③原语操作，原语，由若干条指令组成的，用于完成一定功能的过程；与一般过程的区别在于，他是原子操作，操作过程中的动作一次性完成，不可分割，即原子性

2.资源管理功能

①进程管理

②存储器管理

③设备管理

处理机的双重工作模式

双重模式提供了保护手段，以防止OS和用户程序受到错误用户程序的影响，如，将可能引起损害的机器指令当成特权指令，硬件只有在内核状态下才允许执行特权指令；其他指令为非特权指令

处理机的双重工作模式视图

内核态（0）也称系统态，管态

用户态（1）也称目态

特权指令

在内核态下运行的指令，它对内存空间的访问范围基本不受限制。可访问用户空间，系统空间，（切换到用户态的指令也是特权操作）

非特权指令

在用户态下运行的命令，应用程序完成的指令，只能完成一般的操作和任务，不能对系统的硬件和软件进行直接的访问，对内存的访问局限于用户空间，可防止应用程序的运行异常对系统造成破坏

中断与异常

现代操作系统是中断驱动的，中断是硬件通过系统总线发送信号到CPU来触发的

指令：CPU执行

执行程序：位于内存

引导程序：位于固件，定位OS内核并将其加载到内存中

事件：硬件中断或软件中断

程序：位于外存

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