操作系统-第一章

1.1 操作系统的概念

1.1.1 计算机硬件结构（主要由硬件和软件组成）

计算机系统有五大部分组成：（从功能上来说）：①运算器；②控制器；③存储器；④I/O设备

• （其中运算器和控制器集成在一大片或者几片大规模或超大规模集成电路中，成为CPU）
• 指令：控制计算机执行某种操作的命令。
• 特权指令：用于操作系统或其他系统软件，普通用户不可以直接使用，主要用于系统资源分配和管理，包括改变系统工作方式，检测用户的访问权限，控制I/O设备工作。
• CPU都提供两种运行模式：内核态（核心态，系统态，管态），可执行特权指令和用户态（目态）。

1.1.2 系统初启一般过程

1. 硬件检测；
2. 加载引导程序；
3. 初始化内核:

• 第一阶段：CPU本身初始化；
• 第二阶段：系统中一些基础设施的初始化；
• 第三阶段：对上层部分初始化；

4. 实现用户登录；

1.1.3 何为操作系统

1. 操作系统作为扩展机器：

• 通常把裸机之上覆盖各种软件，从而形成功能更强的计算机成为扩展机器或者虚拟机；

2. 操作系统作为资源管理器：

• ①监视各种资源，随时记录他们的状态；
• ②实施某种策略以决定谁获得资源，何时获得，获得多少
• ③分配资源供需求者使用
• ④回收资源，以便再分配

3. 操作系统的用户观点和系统观点

• 用户角度： 操作系统处于用户与计算机硬件系统之间，为用户提供使用计算机系统的接口和各种资源管理服务。
• 系统观点： 系统是硬件之上的第一层软件，管理计算机系统中各种硬件资源和软件资源的分配问题。

4. 操作系统的定义及其理解

• 操作系统是：控制和管理计算机系统内各种硬件和软件资源、有效的组织多道程序运行的系统软件，是用户与计算机的接口。
• 操作系统定义： ①它是一款由多道程序组成的系统软件； ②基本职能：控制和管理系统内部各种资源，有效地组织多道程序的运行；③提供众多服务，方便用户使用，扩充硬件功能。

1.1.4 操作系统的目标

1. 高效性；
2. 方便性；
3. 安全性；
4. 鲁棒性：操作系统做到不死机，不崩溃；
5. 移植性；

1.1.5 操作系统的特征和服务

特征：

1. 并发性：两个或者多个活动在同一给定的时间间隔中进行；
2. 共享性：计算机资源被多个任务所共用；
3. 异步性:同一程序在相同的初始数据下，无论何时运行都应获得同样的结果。
4. 抽象性

提供的服务和方式

• 服务项目：

1. 程序执行
2. I/O操作
3. 文件系统管理
4. 出错检测
5. 通信
6. 资源分配
7. 统计
8. 保护

• 服务方式：

1. 系统调用
2. 系统程序

1.2 操作系统的主要功能（5种）

1.存储管理（4种）

• 内存分配：为每一道程序分配一定的内存空间；
• 地址映射：CPU执行用户程序时，要从内存中取出指令或数据，为此就必须把所用的相对地址转换成内存的物理地址。
• 内存保护：建立内存保护机制；
• 内存扩充

2.进程和处理机管理（4种）

• 作业和进程调度
• 进程控制
• 进程通信

3.文件管理（4种）

• 文件存储空间的管理：系统文件和用户文件都要存放在磁盘上。
• 文件操作的一般管理：文件的创建、删除、打开、关闭等。
• 目录管理：目录文件的组织、实现用户对文件的"按名存取"，以及目录的快速查询和文件共享
• 文件的读写管理和存取控制；

4.设备管理（4种）

1. 缓冲区管理
2. 设备分配
3. 设备驱动
4. 设备无关性

5.用户接口（3种）

1. 程序接口（系统组成部分）：

• 亦称系统调用接口，系统调用和操作系统内核和用户程序、应用程序之间的接口，只能在内核态执行，在unix/linux系统中，系统调用以C函数的形式出现；

2. 命令行接口（核外部分，下同）：

• 操作系统与用户的交互界面，在unix/linux系统中，称为shell；

3. 图形用户接口（GUI）

• 利用各种图形界面工具，直观、方便、有效地使用系统服务和各种应用程序及使用工具。

1.3操作系统的形成和基本类型

1.3.1 操作系统的形成和发展

1. 手工操作阶段
2. 早期批处理阶段

• 早期联机批处理
• 早期脱机批处理

3. 多道批处理系统

• 基本思想：在内存中同时存放多道程序，在管理程序的控制下交替的执行。

1.3.2 操作系统的基本类型（3种类型）

1. 多道批处理系统

• 工作流程：操作员把用户提交的作业卡片放到卡读机上，通过SPOOLing输入程序把这些作业及时送入直接存区的后援存储器；作业调度程序根据系统的当时情况和个后备作业的特点，按一定的调度原则，选择一个或几个搭配得当的作业装入内存准备运行；内存中多个作业交替执行，当某个作业完成时，系统把该作业的计算结果交给SPOOLing输出程序准备输出，并回收该作业的全部资源。
• 特点（2个）：①多道；②成批
• 优点：①：系统资源利用率高；②：系统吞吐量大
• 缺点：①：用户作业的等待时间长；②：没有交互能力，用户无法干预自己作业的执行，使用起来不方便；

2. 分时系统（4个特点）

• 同时性；
• 交互性；
• 独立性；
• 及时性；
• 优点： ①：为用户提供友好的接口； ②：促进了计算机的普遍应用；③：便于资源共享和交换信息

3. 实时系统

• 特点： 对时间的严格限制和对可靠性的严格要求

• 实时系统的类型（3种）

1. 过程控制系统；
2. 信息查询系统；
3. 事务处理系统；

• 实时系统与分时系统的区别：

1. 分时系统交互作用能力强，实时系统的弱；
2. 分时系统对响应时间数量级规定为秒，而实时系统数量级可达毫秒甚至微秒；
3. 实时系统对可靠性的要求更高；

1.4 操作系统的主要结构

1. 单机结构
2. 层次结构
3. 虚拟机结构
4. 客户-服务器结构