第一章 操作系统概述

1.1  操作系统的目标、作用和模型

 OS的目标 ：

1、方便性：   用户无需了解底层硬件，无需用0、1机器语言操作。（可以说不用手，用工具，进入石器时代了。）

2、有效性：   CPU、I/O、存储等的管理专门、合理地被组织管理起来，提高资源的利用率。

3、可扩充性：扩充应用软件；适应硬件和体系结构发展，扩充底层管理功能模块等。

4、开放性：    网络环境，遵循开放互联标准。

OS的作用：

1) 作为用户与计算机硬件系统之间的接口  * 达成了方便性的目标。*

2) 作为计算机系统资源的管理者   * 达成有效性目标 *

3) 用作扩充机器

1.2  操作系统的发展过程

 

1.  人工操作方式

工作方式： 用户：既是程序员又是操作员；用户是计算机专业人员；

编程语言：机器语言；

输入输出：纸带或卡片；

特点： 用户独占全机，资源利用率极低； CPU等待用户，计算前，手工装入纸带或卡片；计算完成后，手工卸取纸带或卡片；CPU利用率低；

主要矛盾： 人机矛盾----人工操作严重降低了计算机资源的利用率

提高效率的途径： 脱机输入/输出技术。

 

2. 脱机输入/输出(Off-Line I/O)方式

等待人工操作纸带输入数据的不是CPU,而是外围机，一定程度上解决人机矛盾。

脱机I/O方式的主要优点： 减少了CPU的空闲时间 提高I/O速度

脱机I/O方式的主要缺点： 系统开销大！

 

3.  单道批处理系统(Simple Batch Processing System)

作业成批、脱机方式输入到磁带或磁盘上 进一步减少脱机I/O中装卸磁带等耗时操作     系统监督程序(Monitor)控制作业自动过渡，一个接一个的连续处理。单道批处理系统：作业成批处理    内存中只有一道。

特征： 单道性 顺序性 自动性

优点：  一定程度解决人机矛盾，CPU与I/O速度矛盾；  提高了资源利用率和系统吞吐量；  算做OS的前身，但还不是现在所理解的OS；

 

4.  多道批处理系统

用户作业、外存上排队，称为“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作业 调入内存 入内存的作业、共享CPU和系统中的各种资源，自动批量处理。

“多道”程序有什么好处？

1.CPU利用率提高：减少了CPU等待时间（正在运行的程序若因为I/O操作暂停，可调度其他程序执行，不必装卸。）

2.内存利用率提高：容量尽可能多的被利用

3.多种I/O设备并发被使用，也提高了利用率

总体上说：系统吞吐量增加（虽然CPU总是串行的，但一段时间内被运行的作业数相对要多）

多道批处理系统的特征：

多道性

无序性 作业入内存由算法决定，不按提交顺序。入内存后顺序执行。

调度性 包括作业调度、进程调度

多道批处理系统的优缺点：

优点：

资源利用率高：CPU和内存利用率较高；

系统吞吐量大：单位时间内完成的工作总量大；

缺点：

平均周转时间长：短作业的周转时间显著增长；

无交互能力：整个作业完成后或中间出错时，才与用户交互，不利于调试和修改；

多道批处理系统解决的五大问题：

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

 

 

操作系统定义：

一组控制和管理计算机硬件和软件资源， 合理地对各类作业进行调度（多道）， 方便用户使用的程序的集合。

 

5.分时系统(time-sharing system)

1）分时系统的产生 ：用户的新需求是主要动力： 人—机交互 共享主机 便于用户上机

2）分时系统实现中的关键问题

交互：当用户在自己的终端上键入命令时，系统应能及时接收并及时处理该命令，再将结果返回给用户。

共享：强调即使有多个用户同时通过自己的键盘键入命令，系统也应能全部地及时接收并处理。    

(1)及时接收：多路卡，缓冲区    

(2)及时处理：终端请求作业直接进入内存，设置时间片

 分时系统是指在一台主机上连接了多个带有显示器和键盘的终端，同时允许多个用户通过自己的终端，以交互方式使用计算机，共享主机中的资源。   

 分时系统是多道程序的逻辑扩充

4）分时系统的特征：

多路、独立、及时、交互

多路性：多个用户同时使用一台计算机,共享CPU和其他资源，充分利用系统资源。

              宏观上：是多个人同时使用一个CPU

              微观上：多个人在不同时刻轮流使用CPU

独立性：用户感觉不到计算机为其他人服务，各用户独立操作，互不干扰。

及时性：通过时间片技术和轮转调度算法保证及时响应。

交互性：系统及时响应用户的请求，显著提高调试和修改程序的效率：缩短了周转时间。

 

6.  实时系统(Real-Time System)

实时系统是指：     

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。

实时系统的实现

系统必修有能够保证其承担的多个任务在规定的时间完成，调度和能力是关键。

按任务执行时是否呈现周期性来划分

周期性实时任务

非周期性实时任务——截止时间

根据对截止时间的要求来划分

硬实时任务

软实时任务

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

操作系统四大基本特性：共享、虚拟、并发、异步

 

 

1.处理机管理功能

1）进程控制： 为作业创建进程、撤销已结束的进程，控制进程在运行过程中的状态转换。以及线程的创建撤销等。 （可理解为对单个进程基本信息进行管理）

2）进程同步： 为多个进程运行进行协调（包括互斥和同步）

3）进程通信： 用来实现在相互合作进程间的信息交换；（直接通信和网络通信）

4）调度： 作业调度（入内存）和进程调度（分配CPU）

 

2.  存储器管理功能

1）内存分配：为每道程序分配内存空间（包产到户）具体分配涉及许多细节： 分配方式：动态、静态 分配机制需要的数据结构、分配算法、回收内存功能

2）内存保护：确保每道用户程序都只在自己的内存空间中运行 需要一个硬件——界限寄存器，存放正在执行进程的内存上下界，每条指令的访问地址都要进行越界检查，一般用硬件实现检查

3）地址映射(变换)：进程的逻辑地址到内存物理地址的映射。 程序编译形成的目标程序地址都是从0开始，是逻辑地址 真正调入内存某个空间存放的地址是物理地址

4）内存扩充：用虚拟存储技术解决内存容量不足的问题； 请求调入功能 页面置换功能

 

3.设备管理功能

1）缓冲管理：匹配CPU和外设的速度，提高两者的利用率和并行操作程度；

2）设备分配：按某种设备分配策略，为之分配所需的设备;     应设置设备控制表等数据结构记录设备及其控制器的标识符和状态;不同的设备，分配方式不同

3）设备处理：设备处理程序即驱动程序，及时X响应设备控制器请求，实现CPU和设备控制器之间的通信。

 

4.  文件管理功能

1）存储空间的管理：分配外存空间，提高外存的利用率，提高文件系统的运行速度;     需要相应的数据结构，记录文件存储空间的使用情况；要有对存储空间分配和回收的功能

2）目录管理：为文件建立目录项，并有效组织，实现方便的按名存取;提供快速的目录查询手段，提高文件检索速度；还需实现文件共享。

3）文件的读写管理和保护：读写操作与有效的存取控制功能。

 

5.  用户接口

1）命令接口     用户可通过键盘终端发出命令以控制作业的运行。 联机用户接口：由一组磁盘操作命令和命令解释程序组成。 脱机用户接口：由一组作业控制语言组成，如批处理文件。

2）程序接口 用户程序在执行中访问系统资源而设置，由一组系统调用组成。 早期汇编语言才能使用，后高级语言及C语言中都给出了系统调用对应的库函数。

3）图形接口 

 

 

操作系统的三个基本类型是： 批处理操作系统、分时系统、实时系统。

批处理操作系统的主要缺点是： 缺少交互性

允许多个用户以交互方式使用计算机的操作系统称为（分时）；允许多个用户将多个作业提交给计算机集中处理的操作系统称为（批处理）；计算机系统能及时处理过程、控制数据并做出响应的操作系统称为（实时）

现代操作系统的两个最基本的特征是： 并发和共享。

实时系统应具有两个基本特征： 及时性 和 高可靠性。

操作系统的五大管理功能是： 处理机管理、存储器管理、设备管理、文件管理、作业管理